75% веществ, составляющих нашу галактику - загадка.
Мы не знаем из чего она сделана, поэтому дали имя «темная материя». Но мы знаем, что она существует, потому что можем наблюдать гравитационное притяжение в галактиках и других небесных объектах.
Нам еще предстоит непосредственно наблюдать темную материю, но ученые говорят, что мы сможем создать её в самом мощном коллайдере частиц в мире.
- Самый мощный адронный коллайдер имеет длин 27 метров и называется большой адронный коллайдер, сокращённо БАК. Он находится в Женеве.
Так как это будет работать?
В БАК два протонных пучка движутся в противоположных направлениях и ускоряются до скорости света. В четырех точках пересечения протоны разбиваются друг об друга. Протоны состоят из гораздо меньших компонентов, называемых кварками и глюонами.
В большинстве обычных столкновений, два протона проходят друг через друга без какого-либо значительного результата. Однако, примерно в одном из миллионов столкновений, два компонента так сильно бьются друг об друга, что большая часть энергии столкновения освобождается, производя 1000 новых частиц. В столкновениях могут возникать очень массивные частицы, такие как Тёмная материя.
Точки столкновения окружены детекторами, содержащими около 100 миллионов датчиков. Как огромные трехмерные камеры, они собирают информацию об этих новых частицах, включая их траекторию, электрический заряд и энергию. После обработки, компьютеры могут показать столкновение.
Каждая линия - это путь одной частицы. Разные типы частиц имеют цветовую кодировку.
Данные детекторов позволяет учёным определять, чем является каждое из этих частиц, будь то фотоны и электроны.
Теперь детекторы берут снимки около миллиарда из этих столкновений в секунду, чтобы найти признаки чрезвычайно редких массивных частиц. Есть и другие сложности. Частицы которые мы ищем, могут быть неустойчивыми и распадаться на известные нам частицы до достижения датчиков.
Возьмем, к примеру, бозон Хиггса, теоретическую частицу, которая не наблюдалась до 2012 года. Вероятность столкновения фотона, создающего бозоном составляет примерно один из 10 млрд, и он существует всего лишь долю секунды, затем распадаясь.
Но ученые разработали теоретические модели, которые подскажут им что искать. Они думали что эти бозоны будут иногда распадаться на два фотона, поэтому сначала исследовали только события с выделением высокой энергии, которые включали два фотона.
Но здесь есть проблема. Существует бесчисленное количество взаимодействий частиц, которое может генерировать 2 случайных фотона.
Итак, как же отделить бозон от всего остального?
Ответ заключается в массе. Информация, собранная детекторами, позволяет учёным отмотать назад и определить массу всего, что привело к образованию двух фотонов. Они добавляют в график значения масс, а затем повторяют процесс для всех событий с двумя фотонами.
Подавляющее большинство этих событий - это случайное наблюдение фотонов, которые учёные называют фоновые события. Но когда образуется бозон, то он распадается на два фотона, масса всегда оказывается одинаковой.
Таким образом, отличительной чертой бозона Хиггса будет смещение к вершине фоновых событий.
Берутся миллиарды наблюдения до того как может возникнуть подобный удар, и засчитывается, только если этот удар становится значительно выше фона.
В случае бозона Хиггса, ученые, работавшие с коллайдером, объявили о своем результате только тогда, когда шанс этого столкновения мог быть результатом статистической погрешности 1 из 3 миллионов.
Вернемся к тёмной материи. Если продольные пучки имеют достаточную энергию для её создания, это, вероятно еще более редкое явление, чем бозон Хиггса.
Таким образом, чтобы начать что-то отслеживать, нужен квадриллион столкновений теоретических моделей. И это то, чем сейчас занимается БАК.
Генерируя массу данных, ученые надеются найти крошечные всплески на графиках, которые будут служить доказательством темной материи.
Или может быть то, что они найдут, будет чем-то другим, что изменит наше понимание того, как работает Вселенная. В этом есть своё удовольствие. Ведь мы понятия не имеем, что мы найдём.