สสารมืด

สสารมืดคือสสารปริศนาในเอกภพที่ไม่มีการแผ่ ดูดกลืน หรือสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทุกช่วงความถี่ การมีอยู่ของสสารมืดจึงไม่สามารถสังเกตหรือตรวจจับได้โดยตรงผ่านกล้องโทรทรรศน์ทางดาราศาสตร์แบบดั้งเดิม ทว่านักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สามารถยืนยันการมีอยู่ของมันได้ผ่านอิทธิพลทางแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อสสารปกติ หลักฐานเชิงประจักษ์ที่สำคัญที่สุดชิ้นหนึ่งคือกราฟความเร็วการหมุนของดาวฤกษ์ในดาราจักรแบบกังหัน

ตามกลศาสตร์ของนิวตันดาวฤกษ์ที่อยู่บริเวณขอบนอกของดาราจักรควรมีความเร็วในการโคจรลดลงตามระยะห่างที่เพิ่มขึ้น แต่ผลการสังเกตการณ์กลับพบว่าดาวฤกษ์บริเวณขอบนอกมีความเร็วในการโคจรที่คงที่และสูงกว่าค่าที่คำนวณไว้มาก ความผิดปกตินี้บ่งชี้ว่าต้องมีมวลสารจำนวนมหาศาลที่มองไม่เห็นแผ่กระจายตัวห่อหุ้มดาราจักรไว้ในลักษณะของกลดสสารมืด นอกจากนี้ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงยังเป็นอีกหนึ่งเครื่องมือสำคัญที่ใช้ประเมินมวลรวมของกระจุกดาราจักร แสงจากดาราจักรเบื้องหลังจะถูกบิดโค้งเมื่อเดินทางผ่านสนามแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของกระจุกดาราจักรเบื้องหน้า การคำนวณมวลที่ทำให้เกิดความโค้งของกาลอวกาศระดับนี้พบว่ามีค่ามากกว่ามวลของสสารปกติในกระจุกดาราจักรหลายสิบเท่า การวิเคราะห์ความผันผวนของรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพยังช่วยยืนยันปริมาณองค์ประกอบพื้นฐานในระดับจักรวาลวิทยา ข้อมูลจากดาวเทียมพลังค์ชี้ให้เห็นว่าสสารมืดมีสัดส่วนประมาณร้อยละยี่สิบเจ็ดของความหนาแน่นมวลและพลังงานทั้งหมดในเอกภพ ในขณะที่สสารปกติหรือสสารแบริออนที่เราคุ้นเคยนั้นเป็นองค์ประกอบเพียงประมาณร้อยละห้าของเอกภพเท่านั้น แบบจำลองมาตรฐานทางจักรวาลวิทยาที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในปัจจุบันคือแบบจำลองสสารมืดแบบเย็น แบบจำลองนี้เสนอว่าสสารมืดประกอบด้วยอนุภาคที่มีมวลมาก เคลื่อนที่ช้า และแทบไม่ทำอันตรกิริยากับสสารปกติ อนุภาคที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อนและมีมวลมากหรือที่เรียกว่าวิมป์เป็นหนึ่งในอนุภาคสมมติที่นักฟิสิกส์กำลังเร่งค้นหา ปัจจุบันมีเครื่องตรวจจับใต้ดินระดับลึกหลายแห่งทั่วโลกที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อสังเกตการชนกันระหว่างอนุภาคสสารมืดและนิวเคลียสของอะตอมเป้าหมาย การทดลองในเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซียังมุ่งหวังที่จะสร้างอนุภาคสสารมืดขึ้นมาจากการชนกันของโปรตอนที่ระดับพลังงานสูงยวดยิ่ง แม้ความพยายามในการตรวจจับโดยตรงจะยังไม่บรรลุผลแต่สสารมืดก็ยังคงเป็นจิ๊กซอว์ชิ้นสำคัญในการอธิบายการก่อตัวของโครงสร้างขนาดใหญ่ในเอกภพ การค้นพบธรรมชาติที่แท้จริงของสสารมืดจะนำไปสู่การปฏิวัติความเข้าใจทางฟิสิกส์อนุภาคและฟิสิกส์ดาราศาสตร์อย่างหน้ามือเป็นหลังมือ