შესაძლებელია, ბნელი მატერია აიხსნას მარტივი თეორიით

ნახ.1 ნაჩვენებია ანაპოლი (ტოროიდული ფორმის ველის კონფიგურაცია), შედარებულია ჩვეულებრივ ელექტრულ და მანიტურ დიპოლებთან. ანაპოლის ველი, ზედა ნახაზი, გენერირდება ტოროიდული ელექტრული დენის საშუალებით, შედეგად იმის მაგივრად, რომ გარეთ გაიფანტოს (როგორც ეს ელექტრული და მაგნიტურ დიპოლებში ხდება), ანაპოლის ველი ლოკალიზდება ტორის შიგნით.
მიხაელ სმელცერი, ვანდეტირბილტის უნივერსიტეტი (Michael Smeltzer, Vanderbilt University)


შესაძლოა აღმოჩნდეს, რომ სამყაროს მატერიის უდიდესი ნაწილი შედგენილია ე.წ. ნაპოლებით, უჩვეულო, ტოროიდული ფორმის (donut-shaped ან იგივე "ბუბლიკის" ფორმის) ელექტრული ველის მქონე ნაწილაკებით.

ამგვარი მოსაზრება, რომელიც ბნელ მატერიას მიაწერს ელექტრო-მაგნიტიზმისთვის ასათ იშვიათ ყოფაქცევას, თეორიული ფიზიკის დარგში მომუშავე ორმი მეცენიერის დეტალური ანალიზით არის გამყარებულით. ესენი გახლავთ ვანდერბილტის უნივერსიტეტის პროფესორი: რობერტ შერერი (Professor Robert Scherrer,Vanderbilt University) და მისი პოსტ. დოქ. თანამშრომელი (ანუ თანამშრომელი რომელსაც აქვს დაცული დოქტორის სამეცნიერო ხარისხი და უნივერსიტეტში  იმყოფება დროებითი  კონტრაქტით), ჩიუ მან ჰო (Chiu Man Ho). სტატიის ელექტრონული ვერსია დაიბეჭდა, გასულ თვეში, საკმაოდ პრესტიჟულ ჟურნალში Physics Letters B.

"ბნელი მატერიის აღმწერი თეორიების დიდი სიმრავლის მიუხედავად, ის რაც მე მომწონს ამ თეორიაში, ეს არის - მისი სიმარტივე, უნიკალურობა და შემოწმების შესაძლებლობა." ამბობს შერერი.

სტატიაში, სახელწოდებით "ანაპოლური ბნელი მატერია ("Anapole Dark Matter") ფიზიკოსები გვთავაზობენ განვიხილოთ ბნელი მატერია, (ბნელი მატერია - მატერიის უხილავი ფორმა. თანამედროვე წარმოდგენებით ბნელ მატერიას, სამყაროში არსებული მთელი შემადგენელი მატერიის 85% პროცენტი უკავია), როგორც ფუნდამენტური ნაწილაკ ე.წ. მაიორანას ფერმიონი (Majorana fermion). ნაწილაკის თეორიული არსებობა ნაწინასწარმეტყველებია, ჯერ კიდევ 1930 წელს, თუმცა ის ჯიუტად გაურბის ექსპერიმენტულ აღმოჩენას.

ფიზიკოსებს, მანამდეც გამოუთქვამთ მოსაზრება, იმის თაობაზე რომ ბნელი მატერია შეიძლება შედგებოდეს მაიორანას ფერმიონებისაგან, მაგრამ შერერ-მა და ჰო-მ ჩაატარეს დეტალური გამოთვლები, რომლებმაც ცხადყეს - ამგვარ ნაწილაკებს ცალსახად შეესაბამებათ ანაპოლური (ტორის ან იგივე "ბუბლიკის" ფორმის) ელექტრომაგნიტური ველი. ახალ ნაწილაკის ამგვარი ველი, განსხვავდება ჩვეულებრივი ორ-პოლუსური (ჩრდილო და სამხრეთ; დადებითი და უარყოფითი) ველის მქონე ნაწილაკებისაგან. ის ნაწილაკს ახალ თვისებებს სძენს. ანაპოლური ველი ხსნის იმასაც თუ, რატომ არის გართულებული ამგვარი ნაწილაკების დეტექტირება.

"ბნელი მატერიის აღმწერი მოდელების უმრავლესობის ვარაუდით, ურთიერთქმედება ხორციელდება ისეთი ეკზოტიკური ძალის საშუალებით, რომელსაც არასდროს ვხვდებით ჩვეულებრივ ყოფაში. ანაპოლური ბნელი მატერია, ეფუძნება ჩვეულებრივ ელექტრო-მაგნეტიზმს, რომელსაც სკოლაში სწავლობთ. ანუ იგივე ძალებს რომლებიც აკავებენ მაგნიტს მაცივარზე, ან ჭერზე აკრავენ, თმაზე გახახუნებულ გაბერილ რეზინის ბუშტს," ამბობს შერერი. "უფრო მეტიც, მოდელს აქვს უაღრესად სპეციფიური წინასწარმეტყველება თუ რა რაოდენობით უნდა წარმოიქმნებოდნენ ანაპოლური ნაწილაკები ბნელი მატერიის ვრცელ დეტექტორებში, რომლებიც ჩამარხულია მიწისქვეშ, მთელს მსოფლიოში. ეს წინასწარმეტყველებები გვაჩვენებენ, რომ ექსპერიმენტზე, ძალიან მალე, ანაპოლური ბნელი მატერიის არსებობა ან დადასტურდება, ან პირიქით უარყოფილი იქნება."

ფერმიონები (Fermions) არიან ელექტრონებისა (electron) და კვარკების(quark) მსგავსი ნაწილაკები. ისინი წარმოადგენენ მატერიის "საშენ აგურებს". მათი არსებობა, 1928 წელს  იწინასწარმეტყველა, პოლ დირაკმა (Paul Dirac). ხო ორი წლის შემდეგ, ზღვაში იდუმალ გაუჩინარებამდე ცოტა ხნით ადრე, იტალიელმა ფიზიკოსმა ეტორე მაიორანამ (Ettore Majorana) იწინასწარმეტყველა ელექტრულად ნეიტრალური ფერმიონის არსებობა. ფიზიკოსები, მაიორანას ფერმიონს, იმ დროიდან მოყოლებული ეძებენ. მთავარი კანდიდატია ნეიტრინო (neutrino), მაგრამ მეცნიერებმა ჯერჯერობით ვერ შეძლეს იმის დადგენა თუ რა ფუნდამენტური ბუნება აქვს ამ მოუხელთებელ ნაწილაკს.

ბნელი მატერიის არსებობის თაობაზე პირველი მოსაზრება, იმავე 1930 წელს იყო გამოთქმული, იმისთვის რომ აღეწერათ გალაქტიკური კლასტერების (galactic clusters) ბრუნვის სიჩქარეების თვალში საცემი არათანხვედრა. მოგვიანებით ასტრონომებმა აღმოაჩინეს,რომ ცალკე აღებული გალაქტიკის შიგნით, ვარსკვლავების ბრუნვის სიჩქარე ასეთივე შეუსაბამობაშია. დეტალურმა დაკვირვებებმა ცხადყეს, რომ გალაქტიკის ცენტრიდან დაშორებული ვარსკვლავები, საჭიროზე ბევრად უფრო დიდი სიჩქარეებით მოძრაობენ. გამოდიოდა რომ გალაქტიკაში დაკვირვებული ხილული ნივთიერების რაოდენობა ნაკლებია, ვიდრე ამაზე ვარსკვლავების მოძრაობა მიუთითებდა. ყველაზე მოკლე და მარტივი გზა იმისათვის, რომ ახსნათ ამგვარი შეუსაბამობა არის ივარაუდოთ, რომ გალაქტიკა შეიცავს დიდი რაოდენებოით, უხილავ, ე.წ. "ბნელ" მატერიას.

მეცნიერებმა ივარაუდეს - ბნელი მატერია არ ჩანს ტელესკოპებში იმის გამო, რომ ის ძალიან სუსტად ურთიერთქმედებს სინათლესა და სხვა ელექტრო-მაგნიტურ გამოსხივებასთან. ფატრობრივათ, ასტრონომიულმა დაკვირვებებმა თავიდანვე გამორიცხეს შესაძლებლობა, რომ ბნელ მატერიას ქონოდა ელექტრული მუხტი.

ამის მიუხედავდ, შედარებით ახლახანს, რამოდენიმე ფიზიკოსმა გამოიკვლია ბნელი მატერია, რათა დაედგინათ - აქვს თუ არა მას უნარი ქონდეს, არა ელექტრული, არამედ დიპოლური ელექტრული ან დიპოლური მაგნიტური ველი. ერთადერთი პრობლემა ის გახლდათ, რომ ამ რთულ მოდელებში არ განიხილებოდა მაიორანას ნაწილაკები. ეს იყო ერთ-ერთი მიზეზი, რომლის გამოც ჰო და შერერი დაინტერესდნენ, ანაპოლური მაგნიტური მომენტის მქონე, ბნელი მატერიის ნაწილაკებით.

"იმის მიუხედავადაც კი, რომ მაიორანას ფერმიონები ელექტრულად ნეიტრალურები არიან, ბუნების ფუნდამენტური სიმეტრიები უკრძალავენ მათ ქონდეთ რაიმე ელექტრომაგნიტური თვისებები გარდა ანაპოლისა" ამბობს ჰო. მაგნიტური ანაპოლის არსებობა, 1958 წელს  იწინასწარმეტყველა საბჭოთა მეცნიერმა, იაკოვ ზელდოვიჩმა (Yakov Zel'dovic). მას შემდეგ ანაპოლური მაგნიტური მომენტი დაკვირვებული იყო ცეზიუმ-133-ის (cesium-133) და იტერბიუმ-174-ის (ytterbium-174) ატომების ბირთულ სტრუქტურაში.

ელექტრული და მაგნიტური დიპოლური ველების მქონე ნაწილაკები, ელექტრო-მაგნიტურ ველთან მაშინაც კი ურთიერთქმედებენ, როცა უძრავები არიან. მათგან განსხვავებით ანაპოლური ნაწილაკები სხვაგვარად იქცევიან. ისნი ურთიერთქმედებენ მოძრაობისას, და მით უფრო ძლიერად ურთიერთქმედებენ რაც უფრო სწრაფად მოძრაობენ. ამის შედეგად, ანაპოლები გაცილებით უფრო ძლიერად ურთიერთქმედებდნენ მაშინ, როცა სამყარო იყო ახალგაზრდა, ხოლო სამყაროს გაფართოვებასა და გაციებასთან ერთად მათი ურთიერთქმედება სულ უფრო და უფრო სუსტდებოდა.

ჰოს და შერერის მიერ შემოთავაზებული, ბნელი მატერიის ანაპოლური ნაწილაკები, ადრეულ სამყაროში განიცდიდნენ ანიჰილაციას, ისევე როგორც ბნელი მატერი აღმწერი სხვა მოდელებით შემოთავაზებული ნაწილაკები.(ანიჰილაცია ეს არის პროცესი რომლის დროსაც ნაწილაკი ხვდება თავის პარტნერ ანტი-ნაწილაკს. შედეგად ორი ნაწილაკი ნადგურდება და თავისუფლდება დიდი რაოდენობით ენერგია.) ანაპოლების ანიჰილაციის პროცესისაგან დარჩენილმა ე.წ. "მარცხენა ნაწილაკებმა" ჩამოაყალიბეს ის ბნელი მატერია რომელსაც ამჟამად ვაკვირდებით. დღეისდღეისობით, ბნელი მატერია გაცილებით უფრო ნელა მოძრაობს. ხოლო ანაპოლის ურთიერთქმედების სიძლიერე, მოძრაობის სიჩქარეზეა დამოკიდებული. სწორედ ამ მიზეზის გამო, ბნელი მატერია ჯერ-ჯერობით ვერ იქნა ღიათ დაკვირვებული.

სტატიის ორიგინალი იხილეთ:
http://phys.org/news/2013-06-simple-theory-dark.html#jCp