В мире есть много типов частиц, часть из них выглядит элементарными, другие можно построить из элементарных – к примеру, протоны, нейтроны и атомное ядро – но большинство из них распадаются за малую долю секунды. В предыдущей статье я объяснил, почему они распадаются; на самом деле это форма рассеивания, о которой мы имеем интуитивное представление, происходящее из нашего опыта, связанного с волнами и вибрациями. Но почему же несколько типов частиц вообще не распадаются, или, по крайней мере, живут гораздо дольше, чем 13,7 миллиардов лет, дольше возраста Вселенной?
Единственные из известных в природе стабильных частиц – это электрон (и антиэлектрон), легчайший из трёх типов нейтрино (и его античастица), фотон, и предполагаемый гравитон (оба последних являются античастицами сами себе). Другие нейтрино, протон и множество атомных ядер (и их античастиц – тут я прекращаю упоминание античастиц, оно будет подразумеваться), вероятно, нестабильны, но живут очень, очень, очень долго. Протоны, например, живут так долго, что с Большого взрыва их распалось очень малое количество, так что со всех практических точек зрения они стабильны. Другая долгоживущая частица – это нейтрон, который сам по себе, вне атомного ядра, живёт всего около 15 минут. Но внутри атомных ядер нейтроны могут жить дольше возраста Вселенной. Наконец, стоит добавить, что если тёмная материя состоит из частиц, тогда эти частицы тоже должны быть стабильными или очень, очень долгоживущими.
Почему эти частицы стабильны? Оказывается, что в микромире есть правила поведения частиц, неизвестные нам из повседневной жизни, заполненной волнами и вибрациями. Эти законы предотвращают распад частиц, как быстрый, так и медленный. Фундаментальные правила – это законы сохранения, утверждающие, что определённые величины Вселенной не меняются ни в каких физических процессах. Среди них – энергия, импульс, электрический заряд и несколько других. Существует также несколько приблизительных законов сохранения, говорящих о том, что некоторые величины меняются очень редко. Эти законы не появились ниоткуда и не были выдуманы теоретиками на пустом месте. Они связаны с другими свойствами мира. К примеру, если законы природы со временем не меняются, из этого следует (благодаря теореме математика Эмми Нётер), что энергия сохраняется. Мы увидим, что стабильность материи, из которой состоим мы с вами, позволяет неплохо проверить эти законы.
Комбинация этих законов со свойствами частиц даёт нам несколько простых правил, определяющих, когда частицы просто не могут распадаться, или могут распадаться очень редко. И этих правил (почти) достаточно для объяснения стабильности частиц, из которых мы состоим, и частиц, с которыми мы чаще всего взаимодействуем.
Фермионы и бозоны
В мире, в котором работает теория относительности Эйнштейна, у пространства есть три измерения, и работает квантовая механика, все частицы должны быть либо фермионами (названными в честь итальянского физика Энрико Ферми), либо бозонами (в честь индийского физика Сатьендра Нат Бозе). Это утверждение – математическая теорема, а не результат наблюдений. Но данные с последних 100 лет наблюдений её поддерживают – все известные в Стандартной модели частицы, это либо фермионы, либо бозоны.
Пример бозона – фотон. Двум или большему количеству бозонов (одного типа частиц) разрешено делать одно и то же. К примеру, лазер – это машина по созданию большого количества фотонов, делающих абсолютно одинаковые вещи, и выдающая очень яркий свет с очень точно определённым цветом и распространяющийся в определённом направлении. Все фотоны в луче синхронизированы.
Из фермионов лазер сделать нельзя. Пример фермиона – электрон. Два фермиона (одного типа частиц) не могут делать одно и то же одновременно. Поскольку электрон – это фермион, два электрона не могут находиться на орбите атома одинаковым образом. Это связано с принципом запрета Паули, который мы учим на уроках химии, обладающим огромными последствиями для периодической таблицы элементов и для химии. Электроны в атоме занимают разные орбиты, в разных оболочках вокруг атомного ядра, поскольку они не могут все одновременно упасть на одну орбиту – фермионам запрещено это делать. Точнее говоря, только два электрона могут занимать одну орбиту, и только если они вращаются в разные стороны вокруг оси, т.е. имеют разный спин. Если бы электроны были бозонами, химию было бы не узнать!
Среди известных в нашем мире элементарных частиц есть много фермионов: заряженные лептоны, нейтрино, кварки, и много бозонов: все переносчики взаимодействий и частица Хиггса.
Также бозонные поля могут в среднем существенно отличаться от нуля. Фермионные поля такого не могут. Поле Хиггса, ненулевое в нашей Вселенной, дающее массу всем элементарным частицам – это бозонное поле (и его частица – бозон, поэтому и зовётся она бозоном Хиггса).
Кроме того, из бозонных частиц можно сформировать конденсат Бозе-Эйнштейна, предсказанный Эйнштейном в 1920-х, но полученный только в 1990-х, в эксперименте, получившем нобелевскую премию. В таких экспериментах конденсат получают, заставляя большое количество атомов-бозонов пребывать в самом «спокойном» состоянии, доступном квантовому объекту, т.е. атомы находятся в минимально возможных квантовых состояниях, и тогда квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.
Всё это относится к квантовой механике. Хотя Эйнштейну не нравились последствия квантовой механики, у вас не должно создаваться впечатления, будто он её не понимал. Наоборот, его работа была критичной для разработки некоторых аспектов квантовой теории.
Законы природы для частиц
Вот главные правила. Жирным шрифтом отмечены их главные последствия для нашей Вселенной.
Законы природы, которые, как считается по основательным причинам, должны выполняться точно
1) Частица должна распадаться на две или более частиц
Поэтому при каждом распаде частиц в природе из одной частицы появляются две или больше частиц. Это следует из закона природы, согласно которому общая энергия и общий импульс должны оставаться постоянными в любом физическом процессе (физики говорят, что «энергия и импульс сохраняются»). И вот почему 1-е правило вытекает из них:
Допустим, частица типа 1 может распадаться только на частицу типа 2. Докажем, что тут есть противоречие. Возьмём частицу 1 и расположим её перед собой в неподвижности. Вся её энергия будет заключена в её массе. Теперь, допустим, она распалась на частицу 2. Закон сохранения энергии утверждает, что
энергия покоя частицы 1 = энергия покоя частицы 2 + энергия движения частицы 2
Поскольку энергия движения положительна, энергия покоя частицы 2 может быть меньшей или равной энергии покоя частицы 1. Но энергия движения частицы 2 положительна, поэтому если энергия покоя частицы 2 меньше энергии покоя частицы 1, значит, частица 2 должна двигаться. Но частица 1 покоилась, поэтому у неё не было импульса. Частица 2 двигается, значит, у неё есть импульс. Но это невозможно – импульс должен сохраняться. Поэтому такой распад невозможен, если только у этих частиц массы не равны друг другу. Но в таком случае, если частица 1 может распадаться на частицу 2, верно и обратное – частица 2 может распадаться на частицу 1. Но это не распад – это просто путаница между двумя типами частиц.
2) Масса распадающейся частицы должна превышать сумму масс полученных при распаде частиц
Общая энергия и общий импульс при распаде сохраняются, но общая масса всегда уменьшается. «Родительская» частица с массой m1 может распадаться только на «дочерние» частицы 2 и 3, если сумма их масс меньше, чем масса родительской: m2 + m3 < m1. Это простое следствие из закона природы – общая энергия должна оставаться постоянной в любом физическом процессе. Доказательство:
Представьте, что вы наблюдаете за частицей 1 в покое. Вся её энергия – это энергия покоя, m1c2. Затем она распадается на частицы 2 и 3. У каждой из них есть энергия покоя и энергия движения. Поскольку энергия сохраняется,
Энергия покоя частицы 1 = Энергия покоя частицы 2 + Энергия покоя частицы 3 + Энергия движения частицы 2 + Энергия движения частицы 3
Но энергия движения всегда больше нуля, поэтому начальная энергия покоя превышает конечные энергии покоя, поэтому m1c2 > m2c2 + m3c2, следовательно m1 > m2 + m3.
Поскольку фотон, как показывают все эксперименты, не обладает массой, он не может распадаться. Поэтому волны света могут пройти через всю комнату, всё пространство от Солнца до нас, и всю Вселенную, совершенно не дезинтегрируясь в пути. Предполагается, что гравитон обладает теми же свойствами.
3) Общий заряд до и после распада сохраняется
Ещё одно сохраняющееся свойство – это электрический заряд. Частица W-, очень тяжёлая и отрицательно заряженная, с зарядом –е, может распадаться на электрон с отрицательным зарядом –е и антинейтрино без заряда. Но W- не может распадаться на позитрон с положительным зарядом +е и нейтрино без заряда, поскольку общий заряд изменился бы с –е на +е. Также W- не может распадаться на электрон с отрицательным зарядом и позитрон (антиэлектрон) с положительным зарядом, поскольку их комбинация дала бы нулевой заряд.
Поскольку электрон – легчайшая из частиц с электрическим зарядом, он не может распадаться ни на что другое. Легче его только нейтрино, фотоны, глюоны и гравитоны, но они электрически нейтральны, поэтому любая их комбинация будет обладать нулевым зарядом. Любая неизвестная частица легче электрона должна быть электрически нейтральна, или же мы легко обнаружили бы её в экспериментах. Поэтому электрон стабилен.
4) Общее количество фермионов до и после распада может меняться только на чётное число
Правило следует из того факта, что угловой момент, также как и энергия и импульс, сохраняется (что объясняет тенденцию вращающихся вещей, к примеру, Земли, к сохранению вращения). Правило запрещает нейтрону распадаться на протон и электрон. Такой распад попадал бы под законы 1, 2 и 3, но не под 4, поскольку все эти частицы – фермионы. Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Тогда у нас изначально будет один фермион и три в итоге, 3 – 1 = 2.
Нейтрино бывает три типа, и сейчас считается, что у всех них есть масса (у двух – скорее всего, и у третьего – вероятно). Самый лёгкий нейтрино – это легчайший из известных фермионов, но единственные частицы легче его, на которые он мог бы распадаться, это бозоны (фотон и гравитон). Поэтому он и не распадается: нельзя начать с фермиона и закончить бозонами. Он в принципе может быть нестабильным, если существуют ещё более лёгкие фермионы, которых мы пока не встречали – они взаимодействовали бы с обычной материей ещё слабее, чем нейтрино. И мы знаем, что нейтрино живут достаточно долго, поскольку мы видели, как они путешествуют на огромные расстояния от удалённых взрывов звёзд-сверхновых.
Законы природы, которые, как считается по чуть менее основательным причинам, должны почти точно выполняться
5) Разность между общим количеством кварков и общим количеством антикварков при распаде не меняется
В протоне содержатся три кварка, множество глюонов и пар кварков-антикварков, поэтому в протоне количество кварков минус количество антикварков равняется трём. В нейтроне также есть переизбыток из трёх кварков. Поэтому нейтрон, как более тяжёлая частица, может распасться на протон, не нарушая правила 5 – и он так и делает (порождая электрон и антинейтрино).
Но протон – легчайшая из частиц, содержащих больше кварков, чем антикварков, и из этого правила следует, совместно с правилом 2, что он стабилен. Понятно, что протон не может распадаться на любую комбинацию из электронов, фотонов и нейтрино, т.к. они не содержат кварков. Существует несколько адронов (частиц, состоящих из кварков, антикварков и глюонов), в частности, пионы, но они отличаются от протонов и нейтронов тем, что в них содержится равное количество кварков и антикварков. Поэтому тяжёлый протон не может распадаться на любую комбинацию пионов и не-адронов (фотонов, электронов, нейтрино), поскольку у дочерних частиц будет поровну кварков и антикварков, а у родительской частицы это не так. А вот пионы могут распадаться, не нарушая правил; к примеру, электрически нейтральный пион (являясь бозоном) может распадаться на два фотона, а положительно заряженный пион может распадаться на нейтрино и антимюон – что очень полезно для создания лучей нейтрино.
Многие теоретики считают (хотя это не было подтверждено экспериментом), что это правило немножечко нарушается, и протон очень-очень-очень немного нестабилен, обладая при этом чрезвычайно большим временем жизни. Уже более десяти лет наблюдая за огромным количеством протонов, находящихся в огромном баке с водой, в эксперименте Супер-Камиоканде, и не получив ни одного распада, мы знаем, что протон живёт не менее 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 лет. Надеюсь, ни одного нуля не пропустил. Возраст текущей фазы Вселенной составляет примерно 13 700 000 000, поэтому в будущем протонов будет достаточно много.
Существуют и другие законы, но большая часть наблюдаемых нами эффектов следует только из перечисленных.
Заключение
Теперь у нас есть правила, позволяющие объяснить:
• почему фотоны стабильны,
• почему электроны стабильны,
• почему протоны стабильны, или живут очень долго,
• почему, по меньшей мере, один тип нейтрино стабилен или живёт очень долго.
Чего вполне достаточно для объяснения обычной материи, химии, солнечного света, множества других процессов в жизни – кроме одного. Что насчёт нестабильного нейтрона?
Нейтрон – штука весьма удивительная. Ничто не запрещает ему распадаться, и он распадается примерно через 15 минут на протон, электрон и антинейтрино. Почему же он так долго живёт? Частично из-за того, что массы протона и нейтрона весьма близки. Хотя масса покоя нейтрона приближается в ГэВ, она лишь на 0,0007 ГэВ больше, чем сумма масс покоя протона, электрона и антинейтрино. А частота распадов становится весьма небольшой, когда суммарная масса дочерних частиц распада получается очень близкой к массе родительской частицы. Это и не удивительно, поскольку правило 2 постулирует, что распад должен полностью прекратиться, если масса дочерних частиц превышает массу родительской.
Но что странно, так это что если поместить нейтрон в атомное ядро, он становится стабильным! К примеру, в гелии есть два протона и два нейтрона. И хотя нейтрон сам по себе живёт четверть часа, ядро гелия может жить столько, сколько существует Вселенная, и ещё дольше. Это верно вообще для всех стабильных элементов периодической таблицы им. Менделеева и их нейтронов. Этот факт является крайне важным следствием Эйнштейновской теории относительности и некоторых особенностей сильного ядерного взаимодействия, и без него у нашего химического мира не было бы никакого разнообразия. Эта особенность заслуживает отдельной статьи.
И, кстати, если тёмная материя состоит из неизвестных частиц – почему они стабильны? Никто точно не знает, но, вероятно, для этого описанных мною законов будет недостаточно. Скорее всего, существует ещё один закон сохранения, точный или приблизительный, который ещё предстоит обнаружить.
Комментарии (43)
zone19
25.05.2017 16:34+2Про распад протона — это тоже вилами на воде писано. Никто и никогда его не наблюдал в эксперименте.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D0%BF%D0%B0%D0%B4_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0
А эксперименты пока только увеличивают время его гипотетической жизни.
k155la3
26.05.2017 01:38Поиски распада протона начались ещё с SU(5)… и так хорошо оно пошло, что до сих пор не могут остановиться. :)
Уже модель с SU(5) встречается только в очень некоторых учебниках по истории физики, а распад протона всё ищут и ищут, придумывая всё новые оправдания для него.
Это работа, которой, кажется, можно заниматься вечно. :)
arielf
25.05.2017 19:34+4Всё же статьи по физике должны переводить физики. Переводчику ещё в прошлый раз сказали про устоявшийся в русском языке термин 'рассеяние'. И вообще, перевод немного режет глаза. На русском языке физики так бы не написали.
Ну и распад протона не был обнаружен. (Один из эмпирических законов, правда, ничем не обоснованный — сохранение барионного числа.) И, возможно, не будет обнаружен вопреки желанию многих физиков. Как не была обнаружена суперсимметрия — а ведь она прекрасно вписывалась в соверменные концепции.
На мой личный взгляд, автор оригинала пишет очень неряшливо, позволяя необоснованные заявления без оговорок. Сравните с Брайаном Грином и его книгами.
VIK52
25.05.2017 23:01Вообще-то первые два правила — не только для элементарных частиц, а для распадов любых тел
mad_god
26.05.2017 00:56-1Может, я задам очень глупый вопрос, но мне интересно. Учёные научились охлаждать вещество почти до абсолютного нуля, что означает, что атомы в телах практически неподвижны, нет теплового движения.
Но. Разве они действительно неподвижны? Возможно, тут решение в относительности точки отсчёта, но мне почему-то кажется, что все тела на Земле привязаны к ней и под действием гравитационных сил движутся вокруг Солнца.
Если бы они двигались прямолинейно, возможно, этим движением можно было как-то пренебречь. Но они движутся по орбите, а значит, к ним каждый момент времени прикладывается сила, сдвигающая их по эллиптической орбите. А вся Солнечная система в свою очередь, подвергается другим гравитационным силам и тоже движется в каком-то не прямолинейном направлении.
Или я неправильно понимаю движение по орбите, или частицам вещества на Земле, даже самым холодным, каждое мгновение передаются кванты энергии, заставляя их двигаться вместе с Землёй.
Я пытаюсь рассуждать о том, как нечто неподвижное может быть перемещено в пространстве, при помощи какой-то энергии и что такое эта энергия, если она тратится, но никогда не исчерпывается, а только преобразовывается. Но получается, ничего неподвижного на Земле мы наблюдать не можем, всё «на самом деле» неподвижное будет относительно нас довольно быстро двигаться.
И, в этом вопросе движения я вижу несколько вариантов. Либо же всё, что движется, исчезает в одном месте пространства и тут же появляется в другом, соседнем с первоначальным, либо это просто количественная мера искажения пространства, которая передвигается по самому пространству в том или ином направлении, заданном в предыдущий момент времени.
Ведь что мы делаем, чтобы изучить частицы? Сталкиваем одни частицы с другими. По сути, берём одни искажения и накладываем их на другие. Хотел бы я разбираться в этом лучше, чем сейчас.
vanxant
26.05.2017 01:58+4То, что нет теплового движения, ещё не значит, что вообще нет никакого движения. Есть принцип Гейзенберга, который говорит, что ?x ?p >= h/2, где x — координата, p — импульс (для стабильных атомов считайте скорость делить на константу), h — приведённая постоянная Планка.
Если бы атом (и любой другой квантовый объект) полностью остановился в некоторой системе координат кроме своей собственной, то для него и ?x было бы равно нулю и одновременно ?p тоже было бы равно нулю. Так что даже при абсолютном нуле атомы всё равно немного дрожат.
Что касается влияния гравитации, то в эксперименте его можно полностью изолировать при помощи математики, т.к.гравитация работает строго по оси z (вниз). Можно рассматривать эффекты только в плоскости xy.mad_god
26.05.2017 06:30гравитация работает строго по оси z (вниз)
Почему это гравитация Солнца или Великого Аттрактора работает строго по оси z(вниз)?
mikeee1
26.05.2017 11:32Так что даже при абсолютном нуле атомы всё равно немного дрожат.
Погодите-ка, если дрожат, то и температура не абсолютный ноль…
edtun
26.05.2017 12:46+2Скажите это гелию. Вот из-за того, что «немного дрожат», гелий при нормальном давлении в твердую фазу не переходит при ЛЮБОМ охлаждении, даже при абсолютном нуле. Для его получения нужно еще давление приложить.
Картинка с фазовой диаграммой прикреплена. Как можно видеть, при давлении меньше 2,5 МПа гелий твердым не может быть в принципе. Вот такая она, квантовая механика.
vanxant
26.05.2017 15:02+2Нет, так как тело уже не может отдать энергию такого движения при контакте с другим, более холодным телом.
(Да, есть системы с отрицательной абсолютной температурой. Но это просто красивое математическое описание для совершенно другого эффекта в неравновесной системе. При контакте системы с отрицательной температурой и системой с температурой 0К первая будет охлаждаться, вторая — нагреваться).
metric_ghost
26.05.2017 15:07Из фермионов лазер сделать нельзя. Пример фермиона – электрон.
Знающие, разъясните мне, пожалуйста, о чём тут речь. Есть же лазер на свободных элекронах, FEL. Или тут смысл, что нельзя сделать монохромный излучатель потока электронов? Но это будет не лазер по определению: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Я не очень сведущ в вопросе, если звучит бессмыслицей.=)
choupa
Не понятно, почему автор утверждает, что частицы тёмной материи стабильны. У них там может быть собственный сектор частиц, внутри которого происходят свои собственные распады. К тому же не исключены распады между нашим и тёмным секторами с большими периодами, аналогично протону.
pda0
То, что мертво — умереть не можеТо, чего нет — стабильно. :)На самом деле, судя по всё более точным опытам, похоже, что тёмной материи нет. (Равно как и то, что протон — стабилен.) Это всё не точно, но сейчас больше шансов, что это так.
В принципе это не плохо. Искали новую физику — вот она.
zookko
Итак, какие-такие «более точные опыты» показывают, что её нет?
pda0
Ставили всё более крупные баки с ксеноном и ждали, пока что-нибудь невидимое не стукнется в один из атомов. Результат — ни фига.
А косвенно обнаружили не её, а отклонения скорости движения галактических объектов от рассчётных. Тёмная материя была лишь самым простым объяснением. Как в своё время эфир для света. Но с эфиром не сложилось. Похоже, с тёмной материей тоже не складывается.
k155la3
Не обнаружили вполне конкретных частиц во вполне конкретном месте.
Солнце наше — на периферии галактики, и на измеримые скорости разбегания отсуствие или присутствие около него тёмной материи не влияет никак.
Каким образом Вы, например, опровергнете гипотезу о нейтринных гало вокруг ядра галактики? Предположим, что существуют достаточно холодные нейтрино, которые находятся на стабильных орбитах вокруг массивных объектов. МНОГО нейтрино. Ну, вот есть такой (нам ещё неизвестный) мощный процесс, который создаёт пары холодных нейтрино-антинейтрино.
Как Вы измерениями за Земле опровергнете такую гипотезу?
igruh
Мне кажется или вы только что предположили существование чайника Рассела?
QWhisper
Вы же понимаете, что даже Черная Дыра, это теория, и мы толком не можем понять её. Знаем только что это какое то место в пространстве которое все втягивает. На земле мы их тоже не наблюдали и в экспериментах не видели. Так что ЧД, является по сути итогом анализа данных, как и ТМ с ТЭ. Так что многое из астрофизики мы можем только предполагать и строить теории.
А про чайник, ну вот есть теория о еще одном объекте в солнечной системе, за орбитой Плутона.
Может это и есть чайник?:)
igruh
Теория отличается от домыслов/верований/инсинуаций предсказательностью и верифицируемостью. А вот вопрос непосредственного наблюдения ни при чём — так-то и электроны никто не видел и не увидит, но мы можем смело утверждать, что они существуют.
zone19
Вы правы, и в случае темной материи двигаются так:
1) нашли аномалию в движении галактики
2) не вводя новых сущностей проверили нельзя ли это объяснить более простыми методами, но каждый пофейлился, т.к. приводил к результатам противоречащим наблюдениям
3) темная материя объяснила наблюдения, поэтому стали ее искать. Проблема в том, что гравитационная сила очень слабая, а ищем мы частицы с непонятнымы свойствами и распределением по нашей солнечной системе, поэтому приходится делать некие предположения, предлагать эксперименты для их проверки и ждать. Т.е. темная материя все еще самый лучший теоретический претендент.
QWhisper
Важно добавить, что ТМ, это не определение, а название, она вполне может быть не Т и не М. это просто НЁХ, которую хоть как то надо было назвать. С тем же успехом её могли бы назвать Темным Котиком. А то многие думают, что это обязательно прям материя.
igruh
Вы не поняли, я не про ТМ, а про «гипотезу» k155la3 и предложение её опровергнуть. Это и есть классический чайник.
k155la3
Нет, ни разу не кажется.
Чайник Рассела должен применяться каждый раз, когда кто-то думает, что он изобрёл новый способ доказать несуществование чего-нибудь. А именно это выше и утверждается.
pda0
Только не конкретных частиц, а конкретный класс гипотетических частиц.
Довольно легко. :) Нейтрино рождаются как правило имея релятивистские скорости, они не могут быть частью холодной тёмной материи. Кроме того на них приходится не так много энергии. Их вклад в массу вселенной оценивается порядка 0.1%.
Что же касается вашего неизвестного процесса, то он должен быть довольно мощным сам по себе, ведь загнал в нейтрино массу, превышающую массу барионной материи! Однако, никаких объектов, в которых могла бы крутиться подобная энергия мы не наблюдаем и не отмечаем следов подобных процессов в прошлом.
k155la3
Да, конкретный класс.
…
Эээ… а с чего, собссно, Вы взяли, что это ваше «как правило» — реальное правило?
Если мы можем предположить стабильный WIMP, почему мы не можем предположить нестабильные WIMP, распадающиеся в ультрахолодные нейтрино?
Впрочем, в чём-то Вы правы, неважно… можно ведь сразу спросить: а почему Вы думаете, что отсутствие WIMP у Земли означает отсутствия WIMP у ядра галактики? Ну такие вот холодные очень тяжёлые стабильные WIMP. Крутятся себе потихоньку, создают массу. Но не здесь, а — во-он там, ближе к ядру. Почему Вы решили, что их нет?
pda0
С того, что массы нейтрино очень малы и даже энергия, порядка десятков эВ может разогнать до скоростей сопоставимых по порядку со скоростью света. Я припоминаю расчёты, показавшие, что даже реликтовые нейтрино, оставшиеся со времён Большого Взрыва, всё ещё имеют скорости порядка 1000 км/с. Это слишком много для гравитационной связи с галактиками и формирования гало.
Потому что проблема галактик вовсе не в центре. Именно переферия вращается слишком быстро. А мы как раз ближе к краю галактики, чем к центру.
k155la3
То, что 10эВ для нейтрино — энергия релятивисткая, напрямую следует из ограничения на их массу. А вот с чего Вы взяли, что реликтовые нейтрино что-то там доказывают? У Вас есть способ надёжно зафиксировать энергию холодных нейтрино (порядка мкэВ)?
…
Проблема галактики — в избыточной массе, которую мы не видим. Из-за этого она и крутится слишком быстро, чем должна бы при таких размерах. Проще: орбитальные скорости периферии не соответствуют распределению видимой нами массы галактики. Откуда и предположение, что «должно быть что-то ещё». При чём тут масса на периферии?
Модель не обязывает эту скрытую массу находиться внутри Солнечной системы — таких чётких ограничений нет.
pda0
Ну, их в теории довольно много и торможение через расширение вселенной хоть какой-то адекватный механизм получить кучу холодных нейтрино.
Ни у кого пока нет. Их по этому пока не обнаружили и вообще лишь предполагают существование. Хотя это обоснованное предположение.
Проблема нейтрино в том, что они должны образовываться. Любой процесс связан с энергией. Часть её частицы уносят в виде кинетической. А поскольку нейтрино очень легки, существует проблема массового получения холодных (порядка десятков км/с и ниже) нейтрино. Вы конечно можете апеллировать к тому, что существует неизвестный процесс, порождающий кучу холодных нейтрино или как-то тормозящий их, но нечто, чего мы и не наблюдаем и не имеем в виде мат.модели настолько выходит за пределы как научной, так и околонаучной дискуссии, что я позволю себе откланяться.
Модель какая? Текущая модель говорит о дискретных не слипающихся частицах. Распределены они должны быть везде, в том числе и за пределами галактики. И если в районе Земли их нет, то этому должно быть какое-то объяснение. Ну или модель на свалку.
k155la3
Ох, да ладно… Вы всерьёз лезете в эту бутылку, заявляя, что «невозможны процессы с нейтрино, нам неизвестные»? Я напомню, что ещё недавно мы не знали, есть ли у них вообще масса или нет. И мы до сих пор ищем массивные частицы, которых нет в СМ.
Конечно, этот процесс («охлаждение» нейтрино или генерации ультрахолодных) нам неизвестен. Иначе б тысячи многомудрых мужей давно бы описали его, применили к проблеме темной материи, защитили бы свои дисеры, распилили бы нобелевку, выпили бы шампанского, и мы бы об этом тут вообще не говорили.
Но я не понимаю, как Вы получаете переход от «нам неизвестен А» к «А не существует». Кажется, первый шаг чтобы проверить существование А — предположить его существование.
…
Что-то Вас куда-то не туда уже понесло. Почему «дискретных и не слипающихся»? Это вот откуда?
Вообще, мы пока ничего не знаем о распределении тёмной материи в масштабах нескольких парсек. Может быть, всё тёмная масса сосредоточена в изолированных ЧД-«странниках» (а не наблюдаем мы их именно потому что всё ещё живы)? Может быть, высосанные мной из пальца только что ультрахолодные нейтрино (или те же WIMP) давно образовали вокруг солнца пояс (где-то там, за поясом астероидов) и/или попадали в недра планет и звезды?
Может быть, гало WIMPoв прям вот тут, на Земле, просто радиус этого гало сильно меньше радиуса Земли (ну, они же гравитирующие, тяжёлые, почему нет-то?)? может быть, нужно копнуть шахту всего на 100км вниз и разместить детекторы там?
Собссно, мне несложно дать логичное внутренне непротиворечивое объяснение «почему детектор на поверхности Земли не обнаружил конкретный класс частиц» (отдельно помяну, что сам способ детектирования основан на сильных предположениях об их природе).
Куда сложнее будет Вам объяснить свою уверенность в том, что такие частицы должны именно таким способом детектироваться именно на поверхности Земли, а если их нет — то нет вообще. :)
pda0
Нет, я говорю, что если нет наблюдаемого явления или матмодели, которую можно надеяться проверить опытом, то предмета обсуждения у нас нет. Там уже говорили про чайник Рассела. Можно сильнее сказать. Что, если этот эффект — результат магии дружбы волшебных поней? Какая ценность у такой гипотезы? При том, у неё есть ненулевая вероятность оказаться верной. Ну, а что, мы же не всё ещё о вселенной знаем. :)
Из анализа ситуации. Причём, не мной проведённой. Это явление же давно изучают. Вы бы для начала почитали бы хоть статью на википедии. Там многие ответы даны. Не слипается тёмная материя, потому, что если бы слипалась — мы бы давно её увидели бы. Если посмотреть на диаграмму распределения массы и исключить тёмную энергию, то выходит, что 5.5% приходится на звёзды и планеты. 13.8 на межзвёздный газ. И более 80% на тёмную материю.
Столько сконцентрированной массы не заметить невозможно, даже если она прозрачна или сколлапсировала в чёрные дыры. Они бы искривляли движение звёзд. Разрывали бы их на куски. Мы бы постоянно видели бы такие явления. Вместо этого у нас равномерное отклонение. Т.е. единственное объяснение, что эффект, т.е. материя сильно распределена.
И вот тут вы в корне ошибаетесь. Нет ничего легче! :)
Во первых тёмной материи надо прилететь и остаться на орбите вокруг (внутри) Земли. Причём, участвует она только в гравитационном взаимодействии. БЭЭЭЭП! Низя. Законы небесной механики запрещают гравитационный захват в плоском пространстве-времени. (Иначе бы нам не пришлось бы использовать двигатели, чтобы наши спутники выходили на орбиту вокруг Марса :)
Во вторых, если бы внутри Земли была бы спрятана тёмная материя, то это бы увеличило бы массу Земли (помните НАСКОЛЬКО тёмной материи больше?). Земля бы весила бы в десятки раз больше, а размеры бы имела с Луну.
Ну и в третьих, эффект заключается в том, что избыток массы как бы находится у краёв галактик. С чего это тёмная материя, которая «липнет» к барионной оказалась вся у краёв и не в центре?
Мы? Статей и препринтов о распределении гало тёмной материи, написанных на основе наблюдаемых данных уже столько, что мне надоело их смотреть.
k155la3
Разумеется, матмодели есть самые разные. Если смотреть архив (который.орг), то можно просто обалдеть от фантазии людей, генерящих самые изысканные выверты.
Я не понимаю вот этой Вашей уверенности в том, что простой эксперимент в конкретном месте с предположениями об очень конкретных свойствах частиц, в котором получен отрицательный результат, закрывает гипотезу о частицах вообще.
…
Ну, в модели с «холодными» WIMP (теми же нейтрино) они самым естественным образом генерируют гало с концентрацией массы на периферии. Посмотрите на ансамбль орбит любых спутников вокруг центра масс: при некоей заданной минимальной скорости относительно центра масс и случайном векторе они формируют «гало» вокруг центра.
Идея о том, что материя может быть «нелипнущей» — сама по себе КРАЙНЕ экзотична: мы же ищем массу, верно? То есть, мы изначально, уже по условиям задачи предполагаем, что тёмная материя взаимодействует гравитационно (в том числе с обычной барионной материей, ибо изначально вопрос-то был как раз в неправильном поведении этой самой барионной, «видимой» материи).
Вы решили придумать некую штуку, которая будет притягиваться и притягивать, но не образовывать скопления ни самостоятельно, ни вокруг барионной материи? :) Серьёзно? :) Ну вот не прокатит.
Придётся искать выходы как-то ещё: либо в «нематериальной сущности» ТМ — какие-нить «реликтовые космические струны», экзотические ЧД или поправки к законам Ньютона. А оно надо?
Почему возникли WIMPы? Из-за той лёгкости, с которой они вписываются в общую схему без ломки самых основ. Тяжёлые нейтральные частицы легко создают любое требуемое распределение массы, исходя из масс и констант взаимодействия.
…
А о распределении тёмной материи именно на малых масштабах — неизвестно почти ничего. Есть лишь некоторые ограничения типа «это не может быть кучей ЧД более такой-то массы ближе к нам чем на столько-то». Но и только.
pda0
У меня нет железной уверенности. Но, как говорил чукча, тенденция, однако…
Причины экзотичности озвучке, пожалуйста? Материя липнет не потому что клеем момент намазана, а потому что у неё три взаимодействия кроме гравитационного работают. У тёмной материи их нет. Будете вводить новое неизвестное взаимодействие и делать вид, что это простое объяснение?
Да и я объяснил почему. Гравитация слишком слаба, чтобы связывать высокоскоростные частицы. Но ваш контраргумент:
Мощно. Я сражён и сдаюсь. :-|
Не забываем добавить слово «кажущейся». Потому что пока не подтверждено наблюдениями — х.з. действительно ли оно легко. Из-за похожей лёгкости возникли флогистон, теплород, эфир и после теории великого объединения — идея теории всего. Это потом оказалось, что первых трёх не существует, а гравитацию фиг поквантуешь.
wadeg
pda0
Почти. Красным смещением замедлились. Точнее, самим процессом расширения вселенной.
wadeg
И как это совмещалось хотя бы с совсем недавними представлениями об их безмассовости, запрещающей досветовые скорости?
k155la3
Безмассовость не запрещает частицам остывать. Вон — фотоны вообще до
мышей дотрахалисьмикроволн дошли с Большого Взрыва.wadeg
Зато совершенно безвариантно запрещает сбрасывать скорость
pda0
Не в курсе. Были обзоры обзоры безмассовых реликтовых нейтрино, но я их наизусть не помню.
vanxant
А куда им деваться?
Ну пусть есть группа тёмных частиц, из которых все — кроме самой лёгкой — нестабильны. Но в конце концов превращаются в самую легкую.
Если бы эта самая лёгкая из тёмных частиц была бы нестабильной, то она должна была бы распадаться исключительно на «нетёмные» частицы. В том числе, неизбежно, на фотоны, нейтрино, вот это всё. И мы бы этот фон так или иначе увидели бы.
Welran
Вроде как тёмные частицы не взаимодействуют не только с материей, но и друг с другом. Так что если они существуют, то они стабильны.