Күнгiрт материяны коллайдерлерде iздейтiн эксперимент нәтижелерiнiң теориялық түсiнiктемесi

күшiн,центрге тартқыш үдеуге көбейтiлген жұлдыздың массасымен салыстыру арқылы оңай
анықтауға болады. Содан кейiн орбита радиусынан квадрат түбiрге дейiн жылдамдықты төмендетедi.
Сонымен қатар, бұл нәтижелер қосымша массаның көп бөлiгi галактика орталығынан жарық
массасына қарағанда алыс екенiн көрсетедi.
1.4.1
Гравитациялық линзалау
Гравитациялық линзалау-күнгiрт материяның классикалық эмпирикалық анықтамасы. Эйнштейннiң
жалпы салыстырмалы теориясынан бiз жұлдыздар мен галактикалар сияқты массивтiк нысандар
кеңiстiк-уақытын қисық сызатынын бiлемiз.Демек,егер кеңiстiк уақытынгың геометриясы қисық
болса,бұл жарыққтың траеокториясына әсер етедi.Жарық қисық кеңiстiкте мүмкiн болатын ең
түзу жолдармен жүрудi жалғастырады,оны гравитациялақ линзалау деп атаймыз.
2-сурет.Гравитациялық линза эффектiсi уақыт бойынша геометриялық бұрмаланулардан
туындайды: Алдыңғы галактика кеңiстiк-уақытты иiп, сол арқылы алыс фон галактикасының
жарық жолын өзгерту арқылы «объектив» қызметiн атқарады. Жерде телескоптар фондық
галактиканың бұрмаланған суретiн түсiредi, одан ғалымдар алдыңғы галактиканың массасын
картаға түсiре алады.
Гравитациялық линзалардың терминологиясы радиалды оптикаға ұқсастықтан туындайды.
Толық оптикалық линзалар жарықты сыну қасиеттерiне байланысты оның орбитасынан тiкелей
бұрады. Бұл жарықтың таралуына айтарлықтай әсер етедi. Телескоптар массивтiк объектiлер
гравитациялық линзалар ретiнде әрекет еткенде,жарықтың иiлуiн немесе бұрмалауын түсiре
алады.
3-сурет.NASA/ESA Хаббл ғарыштық телескопы галактиканың бұлыңғыр күлiп тұрған екi
суретiн алды:екi көзi-SDSSCGB 8842.3 және SDSSCGB 8842.4 галактикалары күлiмсiреу сызықтары
күштi гравитациялық линзадан туындаған доғалар болып табылады.
Гравитациялық линзаның әсерi күңгiрт немесе қалыпты материяға әсер етiнiң қайдан бiлемiз?
Шынында да, кеңiстiк-уақыттың қисықтығы үшiн массивтiк нысан кәдiмгi материя екендiгi
немесе күннгiрт материя екендiгi маңызды емес.Тек масса өлшемдерi мен оның таралуы кеңiстiк-
уақыттың қисықтығы мен гравитациялық әсерiн анықтайды. Гравитациялық линзалар күңгiрт
4

материяны iздеуде заттың құрамына қарамай шешушi болып табылады,өйткенi олар ғарыш
объектiлерiнiң массасын тәуелсiз өлшейдi. Мысалы, қараңғы материяның бар екендiгiнiң классикалық
дәлелдерiнен басқа, гравитациялық линзалар жалпы салыстырмалылық болжамдарын қолдана
отырып, ғарыш объектiлерiнiң массасы мен жарықтандыруының арақатынасын бағалау әдiсiн
ұсынады.
2
Кiрiспе
Материалдар
конференцияда берiлген лекция
.
Құс жолы галактикасының тез айналатыны сонша, оның жұлдыздары барлық жерде шашыраңқы,
өйткенi айналамыздағы барлық нәрсе жұлдыздарды өз орбиталарында ұстау үшiн қажет ауырлық
күшiнiң тек 10% құрайды. Галактикалар мен суперкластерлер күнгiрт материяның қосымша
ауырлық күшiнiң арқасында жарық шығармайтын немесе шағылыспайтын зат. Қараңғы заттардың
концентрациясы жақын жерде өтетiн жарықты бұрмалайды. Исаак Ньютонның бүкiләлемдiк
тартылыс заңының феноменальды сәттiлiгiнен бастап, 1687 жылы планеталардың қозғалысы мен
динамикасын түсiндiре отырып,ғарыштық денелерде байқалған жұмбақ құбылыстарды түсiндiру
үшiн көрiнбейтiн материя тартылды.
Астрономдардың la типтi суперноваларды бақылау нәтижелерi ғаламның кеңеюi үдеумен
жүретiнiн көрсеттi, оның себебi күнгiрт энергия.
Ғаламның ең үлкен екi элементi - күнгiрт
материя және күнгiрт энергия ең аз бiлетiн де осы екi элемент.Сонымен қатар, олар бiздiң
ғаламның тағдырын анықтайды.
Күнгiрт материя (DM) бiздiң стандартты космологиялық модельiмiздiң (ΛCDM) негiзгi бөлiгi
болып табылады.Бұл модель үлкен масштабтағы жарылыстан кейiн ғаламның эволюциясын жаңартты.
Күнгiрт материясыз деректердi бақылаулармен үйлестiру мүмкiн емес.
Ғаламның массасын
есептеуде бiрдеңе дұрыс болмады, бұл ХХ ғасырдың 30-шы жылдарының ортасында пайда болды.
Швейцариялық астроном Фриц Цвикки Вероника кластерiнiң галактикаларының (ең үлкен кластерлердiң
бiрi, оған мыңдаған галактикалар кiредi) ортақ орталықтың айналасында қозғалу жылдамдығын
өлшедi. Нәтиже көңiл көншiтпедi: галактикалардың жылдамдығы кластердiң жалпы бақыланатын
массасына негiзделген күткеннен әлдеқайда жоғары болды. Бұл шынайы массасы әлдеқайда
байқалатынын бiлдiрдi. Бiрақ ғаламның осы аймағында болатын материяның негiзгi мөлшерi
қандай да бiр себептермен көрiнбейтiн болды және тiкелей бақылаулар үшiн қол жетiмдi емес,
тек гравитациялық түрде, яғни тек масса түрiнде көрiнедi. Галактикалық кластерлерде жасырын
5

массаның болуын гравитациялық линзалау деп аталатын тәжiрибелер де дәлелдедi. Бұл құбылыстың
түсiндiрмесi салыстырмалылық теориясынан туындайды.Кез-келген масса кеңiстiктi деформациялайды
және линза сияқты жарық сәулелерiнiң түзу бағытын бұрмалайды. Галактикалар шоғырынан
туындаған бұрмаланудың үлкендiгi соншалық, оны анықтау оңай. Атап айтқанда, кластердiң
артындағы галактиканың бейнесiн бұрмалау арқылы кластер - линзадағы заттың таралуын
есептеуге болады және осылайша оның жалпы массасын өлшеуге болады.Кластердiң көрiнетiн
заттарының үлесiнен бiрнеше есе көп екенi белгiлi. ХХI ғасырда SuperKamiokande (Жапония)
және SNO (Канада) эксперименттерiндегi көпжылдық бақылаулардың нәтижесiнде нейтринолардың
массасы бар екендiгi анықталды, жасырын массаның 95% - дан 0,3% - дан 3% - на дейiн бұрыннан
таныс нейтринолардан тұратыны белгiлi болды. оның массасы өте аз, бiрақ ғаламдағы саны
нуклондар санынан шамамен миллиард есе көп: әр текше сантиметрде орта есеппен 300 нейтрино
бар.
Қалған 92-95% екi бөлiктен тұрады: күнгiрт материя және күнгiрт энергия.
Күнгiрт
материяның кiшкене бөлiгi-бұл нуклондардан тұратын қарапайым бариондық зат, әлбетте, кейбiр
белгiсiз, әлсiз әрекеттесетiн массивтiк бөлшектер (суық күнгiрт зат деп аталады).
Күнгiрт
материя қарапайым материяға ұқсас, өйткенi ол шоғырлану қабiлеттi (мысалы, Галактика немесе
Галактика шоғыры сияқты) және гравитациялық өзара әрекеттесуге қарапайым материя сияқты
қатысады. Ол жер жағдайында әлi анықталмаған жаңа бөлшектерден тұруы мүмкiн. Күнгiрт
материя спектрдiң көрiнетiн немесе басқа диапазонында жарқырамайды.Күнгiрт материяның
табиғаты, ғаламдағы материяның көп бөлiгiн қамтитын форма, бiрнеше онжылдықтар бойы
физиктер үшiн жұмбақ болды. Ол табиғаты белгiсiз бөлшектерден тұруы мүмкiн деп саналады-
WIMP(ағылш. Wimp, әлсiз өзара әрекеттесетiн массивтiк бөлшектер),олардың арасында электромагниттiк
өзара әрекеттесу жоқ: олар фотондар шығармайды және бiз бұл бөлшектердi тiкелей көре
алмаймыз. WIMP бөлшектерiнiң тұжырымдамасы оларды бөлшектер мен антибөлшектердi жою
кезiнде пайда болатын гамма-сәулеленудi бақылау арқылы жанама түрде анықтауға болатындығын
болжайды.Кматерияның бөлшектерi мен антибөлшектерiн ешкiм байқамағандықтан, олардың
жойылуы мүмкiн екендiгi белгiсiз, сондықтан бақылаулар теориялар мен болжамдарды тексеру
үшiн жасалады. Өткен ғасырдың басында Альберт Эйнштейн жалпы салыстырмалылықтағы
космологиялық модельдi уақытқа тәуелсiздiкпен қамтамасыз еткiсi келiп, теорияның теңдеулерiне
космологиялық тұрақты деп аталатын нәрсенi енгiздi, ол оны гректiң "Ламбда" -Λ әрпiмен
белгiледi. Бұл таза формальды тұрақты болды, онда Эйнштейннiң өзi ешқандай физикалық
мағынаны көрмедi. Ғаламның кеңеюi анықталғаннан кейiн бұл қажеттiлiк жойылды. Эйнштейн
өзiнiң асығыстығына қатты өкiнiп, космологиялық тұрақтылықты
өзiнiң ең үлкен ғылыми
қателiгi деп атады.Алайда, ондаған жылдар өткен соң, ғаламның кеңею жылдамдығын анықтайтын
Хаббл константасы уақыт өте келе өзгеретiнi анықталды және оның уақытқа тәуелдiлiгiн ғаламның
жасырын тығыздығына ықпал ететiн "қате" Эйнштейн Λ константасының мәнiн таңдау арқылы
түсiндiруге болады.Жасырын массаның бұл бөлiгi "күнгiрт энергия"деп аталды. Күнгiрт энергия
туралы деректер күнгiрт материядан да аз. Бiрiншiден, ол қарапайым материяға және күнгiрт
материяның басқа түрлерiне қарағанда бүкiл әлемге бiркелкi таралады. Галактикалар мен галактикалар
кластерлерiнде олардың сыртындағыдай көп.
Екiншiден, ол салыстырмалылық теңдеулерiн
талдау және олардың шешiмдерiн түсiндiру арқылы ғана түсiнуге болатын өте оғаш қасиеттерге
ие. Мысалы, күнгiрт энергия ауырлыққа қарсы: оның болуына байланысты ғаламның кеңею
жылдамдығы артады. Күнгiрт энергия өздiгiнен қозғалатын сияқты, сонымен бiрге галактикаларда
жиналған қарапайым заттардың шашырауын тездетедi.Күнгiрт энергияның да терiс қысымы
бар, бұл затта оның созылуына жол бермейтiн күш тудырады. Күнгiрт энергия рөлiне жетекшi
үмiткер - вакуум.
Вакуумның энергия тығыздығы Әлемнiң кеңеюiмен өзгермейдi, бұл терiс
қысымға сәйкес келедi. Тағы бiр үмiткер - квинтессенс деп аталатын гипотетикалық өте әлсiз
өрiс.
Стандартты модель Барлық заттар кварктардан, лептондардан және өзара әрекеттесетiн
тасымалдаушы бөлшектерден тұрады. Құрылымдық тұрғыдан алғанда, атом ядроларын (нуклондарды)
құрайтын элементар бөлшектер және жалпы барлық ауыр бөлшектер — адрондар (Бариондар
мен мезондар) одан да қарапайым бөлшектерден тұрады, оларды әдетте iргелi деп атайды.
Заттың шын мәнiнде iргелi бастапқы элементтерiнiң бұл рөлiнде электр заряды Протонның
2/3 немесе -1/3 бiрлiк оң зарядына тең кварктар бар. Ең көп таралған және жеңiл кварктар
жоғарғы және төменгi деп аталады және сәйкесiнше u (ағылшынша up) және d (down) деп
белгiленедi. Кейде оларды Протон және нейтронды кварк деп те атайды, себебi протон uud
комбинациясынан, ал нейтрон udd комбинациясынан тұрады. Жоғарғы кварктың заряды 2/3;
6

төменгi-терiс заряд -1 / 3. Протон екi жоғарғы және бiр төменгi, ал нейтрон бiр жоғарғы және
екi төменгi кварктан тұратындықтан,протон мен нейтронның жалпы заряды 1 және 0-ге тең
және бұл стандартты модель шындықты жеткiлiктi түрде сипаттайды. Қалған екi кварк жұбы
экзотикалық бөлшектердiң бөлiгi болып табылады. Екiншi жұптағы кварктарды сүйкiмдi — с
(charmed) және оғаш — с (strange) деп атайды. Үшiншi жұп-шынайы-t (truth-тен немесе ағылшын
тiлiнде.
top дәстүрлерi) және әдемi-b (beauty немесе ағылшын тiлiнен.
bottom дәстүрлерi)
кварктар. Стандартты модель болжаған және кварктардың әртүрлi комбинацияларынан тұратын
барлық дерлiк бөлшектер эксперименталды түрде ашылған.
Тағы бiр жиынтығы лептондар деп аталады.
Лептондардың iшiндегi ең көп тарағаны —
атомдар құрылымына кiретiн, бiрақ атомаралық өзара әрекеттесуге қатыспайтын, бiзге бұрыннан
таныс электрон. Одан басқа (және оған позитрон деп аталатын жұптасқан антибөлшек) лептондарға
ауыр бөлшектер жатады — муон және тау лептон олардың антибөлшектерi. Сонымен қатар,
әр лептонның өзiндiк зарядталмаған бөлшегi нөлдiк тыныштық массасымен салыстырылады;
мұндай бөлшектер сәйкесiнше Электрон, муон немесе таон нейтрино деп аталады.
Сонымен, лептондар, кварктар сияқты, үш "отбасылық жұпты"құрайды. Мұндай симметрия
теоретиктердiң бақылаушы көздерiнен қашып құтылған жоқ, бiрақ оған әлi күнге дейiн нақты
түсiнiктеме ұсынылмаған. Қалай болғанда да, кварктар мен лептондар ғаламның негiзгi құрылыс
материалы болып табылады. Стандартты модель, жалпыланған түрде, материя кварктар мен
лептондардан тұратын және олардың арасындағы күштi, электромагниттiк және әлсiз өзара
әрекеттесулер ұлы бiрiгу теорияларымен сипатталатын ғалам құрылымының теориясы болып
табылады.Болжам бойынша, неғұрлым толық теория уақыт өте келе дамиды,ал бүгiнгi таңда
стандартты модель бiзде бар ең жақсы модель болып табылады.
3
Серiпiмдi соқтығыс
Салыстырмалы түрде шағын кеңiстiкте екi немесе оданда көп материялдық денелердiң әрекеттесуi
соқтығыс деп аталады. Соқтығыс кезiнде өзара әрекеттесетiн денелердiң координаталары өзгермейдi,
бiрақ олардың импульсi өзгередi. Механикада соқтығысқа қатысатын денелер импульстерiмен,
импульс моменттерiмен және энергиямен сипатталады, ал процестiң өзi осы шамалардың өзгерiстерiмен
бейнеленедi. Соқтығыстың жарқын мысалы: жұлдыздырдың күн маңындағы қозғалысын келтiруге
болады. Бұл кезде оның жылдамдығы айтарлықтай өзгеретiнi белгiлi.
4
Эксперимент туралы
Collider
Жоғары энергетикалық соқтығысу эксперименттерiнiң әрбiр компонентiнiң мөлшерi мен күрделiлiгi
тұрақты өсiп келе жатқан негiзгi эксперименттiк қондырғы 1960 жылдардың аяғынан бастап
өзгерiссiз қалды. Бiрiншiден, бөлшектердiң үдеткiшi тар бағытталған сәулелердi шығару үшiн
электр және магнит өрiстерiнiң мұқият жасалған комбинациясын қолданады энергетикалық
бөлшектер (әдетте электрондар, протондар және олардың антибөлшектерi).Соқтығысулар болатын
аймақ ("өзара әрекеттесу нүктесi") қоршалған соқтығысудан шыққан бөлшектердi анықтауға
және өлшеуге тырысатын бөлшектер детекторларының жиынтығы олардың энергиялары мен
импульстары.Субатомдық қашықтықтағы физика кванттық механика заңдарымен басқарылатындықтан,коллайдерлердегi
заманауи тәжiрибелер жиналады және талданады.Алайда, өрiстiң Лагранж кванттық теориясына
негiзделген көлденең қималарды болжау үшiн жақсы дамыған формализм бар.Осылайша, iс
жүзiнде коллайдер деректерiн теориялық түсiндiру кандидат теориясын таңдау арқылы жүзеге
асырылады,осы теория шеңберiндегi сәйкес көлденең қималарды есептеу, деректермен салыстыру.Соңғы
30 жыл iшiнде "жетекшi үмiткердiң" әдепкi теориясы стандартты модель (SM) болды. Барлығының
бiлуiнше, осы уақытқа дейiн бұл теорияның болжамдарынан статистикалық маңызды ауытқулар
болған жоқ, TASI қатысушылары сонымен қатар SM гегемониясы Tev-ге жақын энергия масштабында
құлдырайды деп күтудiң күштi теориялық негiздерi бар екенiн жақсы бiледi, олар алдағы бiрнеше
жылда алғаш рет Үлкен адрон коллайдерiнде (БАК) эксперименталды түрде зерттеледi. Бүгiнгi
таңда DM табиғатының ең сенiмдi теориялық түсiндiрмелерiнiң бiрi-ол әлсiз өзара әрекеттесетiн
массивтiк бөлшектер (WIMP) деп аталатын субатомдық бөлшектердiң жаңа класынан тұрады.
Бұл бөлшектердiң 100 гиг-Электрон-вольтке (гэв) сәйкес келетiн әлсiз масштабты массасы бар
7

және тек SM бөлшектерiмен әлсiз әрекеттеседi. Бұл бөлшектер ғаламдағы DM өлшеуiн түсiндiре
алады. WIMP көптеген жаңа физикалық модельдерде бар, мысалы суперсимметрия (SUSY), ол
стандартты модельдiң бiрнеше ашық мәселелерiн шешу үшiн жаңа массивтiк бөлшектердiң пайда
болуын болжайды. Космология мен бөлшектер физикасы әлсiз масштабтағы жаңа бөлшектердi
дербес көрсететiнi таңқаларлық кездейсоқтық одан әрi ынталандырады Wimp-дi коллайдерлерде
iздеу, мысалы, CERN-дегi Үлкен адрон коллайдерiнде (БАК) iздеу жүрiлiп жатыр.Коллайдерлер
бөлшектердiң соқтығысуы нәтижесiнде пайда болатын DM бөлшектерiн анықтауға бағытталған.WIMP
DM iздеулерi CERN-дегi үлкен электронды-позитронды коллайдер және Фермилабтағы Теватрон
сияқты бiрнеше жоғары энергиялы коллайдерлерде жүргiзiлдi.DM-мен байланысты жаңа құбылыстар
үшiн ең жоғары энергетикалық масштабқа қол жеткiзудi қамтамасыз етедi. Осы себептi бұл шолу
LHC үшiн WIMP iздеуге арналған. Резервуар-әлемдегi ең iрi белсендi бөлшектер коллайдерi.Ол
Швейцарияның Женева маңында орналасқан. Төрт негiзгi эксперимент қосулы -бұл ATLAS,
ALICE, CMS және LHCb. ATLAS эксперименттерi және CMS ұқсас физикалық мақсаттары бар
көп мақсатты эксперименттер болып табылады: Хиггс бозонының қасиеттерiн өлшеу және SM-
ден тыс Физика үшiн, мысалы, DM табиғаты, сондай-ақ дәл SM өлшемдерi. ALICE экспериментi
ауыр иондардың соқтығысуын зерттейдi, ал LHCb экспериментi кварк физикасының дәл экспериментi
болып табылады
5
Теориялық модель
6
Коллайдер экспериментi
Коллайдер физикасына кiрiспе [
3
]
Күнгiрт матреияны коллайдерлерде iзддеу туралы негiзгi материалдар [
4
,
5
]
Атлас экспериментi күйргiрт материяны қалай iздейдi?
dark matter search at ATLAS
7
Тiкелей iздейтiн эксперимент
Негiзгi материал
презентация
References
[1] Julia Woithe and Magdalena Kersting. Bend it like dark matter! Physics Education, 56(3):035011,
2021.
[2] Anton Lechner. Particle interactions with matter. CERN Yellow Rep. School Proc., 5:47, 2018.
[3] Maxim Perelstein. Introduction to Collider Physics. In Theoretical Advanced Study Institute in
Elementary Particle Physics: Physics of the Large and the Small, pages 421–486, 2011.
[4] Oliver Buchmueller, Caterina Doglioni, and Lian Tao Wang. Search for dark matter at colliders.
Nature Phys., 13(3):217–223, 2017.
[5] Felix Kahlhoefer. Review of LHC Dark Matter Searches. Int. J. Mod. Phys. A, 32(13):1730006,
2017.
8