Πέμπτη, 22 Ιουνίου 2017

Νετραλίνο: το υποθετικό σωματίδιο της σκοτεινής ύλης

Στην σωματιδιακή φυσική, το νετραλίνο είναι ένα υποθετικό σωματίδιο που έχει προβλέψει η υπερσυμμετρική θεωρία. Το νετραλίνο όμως, που συμβολίζεται ως , όπου το i κινείται από το 1 έως το 4, δεν είναι ακριβώς ένα «κατοπτρικό» σωματίδιο σε σχέση με ένα σωματίδιο του Κυρίαρχου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, αλλά ένα μίγμα από αρκετά συμμετρικά σωματίδια.
 
Στα υπερσυμμετρικά μοντέλα, όλα τα σωματίδια του Κυρίαρχου Μοντέλου έχουν σωματίδια εταίρους με τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς, αλλά με σπιν που διαφέρει κατά 1/2. Έτσι, για κάθε γνωστό σωματίδιο που έχει ακέραιο σπιν 0, 1, 2 πρέπει σύμφωνα με τα μοντέλα αυτά να υπάρχει ένα σωματίδιο με την ίδια μάζα αλλά με ημιακέραιο σπιν 1/2, 3/2, 5/2 και το αντίστροφα. Επειδή, οι υπερεταίροι του μποζονίου Z (το zino), του φωτονίου (το φωτίνο) και του ουδέτερου higgs (το higgsino) έχουν τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς, μπορούν τα τελευταία να αναμειγνύονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν τέσσερις ιδιοκαταστάσεις που ονομάζονται "νετραλίνο". Σε πολλά μοντέλα το ελαφρύτερο από τα τέσσερα νετραλίνο αποδεικνύεται ότι είναι το ελαφρύτερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο (LSP), αν και άλλα σωματίδια μπορούν επίσης να αναλάβουν αυτόν τον ρόλο.
 
Οι ακριβείςς ιδιότητες κάθε νετραλίνο θα εξαρτηθεί από τις λεπτομέρειες της ανάμειξης (π.χ. εάν είναι περισσότερο σαν το higgsino ή σαν το gaugino), αλλά έχουν την τάση να έχουν μάζες στην ασθενή κλίμακα (100 GeV - 1 TeV) και να ζευγαρώνουν με άλλα σωματίδια με ισχυρά χαρακτηριστικά της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Κατά τον τρόπο αυτό, είναι φαινομενολογικά παρόμοια με τα νετρίνα, και έτσι δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα στους ανιχνευτές σωματιδίων σε επιταχυντές.

Ως ένα βαρύ, σταθερό σωματίδιο, το ελαφρύτερο νετραλίνο αποτελεί ένα εξαίρετο υποψήφιο της ψυχρής σκοτεινής ύλης στο σύμπαν. Σε πολλά μοντέλα το ελαφρύτερο νετραλίνο μπορεί να έχει παραχθεί θερμικά στο πρώιμο σύμπαν και να έμεινε από τότε με την ίδια αναλογία ως η παρατηρούμενη σκοτεινή ύλη. Ένα ελαφρύτερο νετραλίνο, περίπου 10-10.000 GeV, είναι το κύριο υποψήφιο σωματίδιο των σωματιδίων WIMP (ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα) της σκοτεινής ύλης.
 
Το νετραλίνο σαν συστατικό της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να παρατηρηθεί πειραματικά στη φύση είτε έμμεσα είτε άμεσα. Στην προηγούμενη περίπτωση, τα τηλεσκόπια των ακτίνων γάμμα και νετρίνων θα αναζητήσουν ενδείξεις για την εξαϋλωση των νετραλίνων, σε περιοχές με υψηλή πυκνότητα σκοτεινής ύλης, όπως είναι το ηλιακό κέντρο ή το γαλαξιακό κέντρο. Στην τελευταία αυτή περίπτωση, για ειδικούς σκοπούς, πειράματα, όπως είναι η Κρυογενική Έρευνα Σκοτεινής Ύλης (CDMS) προσπαθούν να ανιχνεύσουν τις σπάνιες επιπτώσεις των WIMP στους επίγειους ανιχνευτές.
 
Ποιά είναι όμως τα σενάρια που υπάρχουν για την δομή της σκοτεινής ύλης;
 
1. Να αποτελείται από συνήθη βαρυονική ύλη (μη-εξωτική)
Δηλαδή αντικείμενα MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects). Έρευνες όμως έδειξαν ότι τα MACHO μπορούν να δικαιολογήσουν περίπου το 20% της σκοτεινής βαρυονικής ύλης.  Ή νέφη μοριακού υδρογόνου στην εξωτερική περιοχή του γαλαξιακού δίσκου, υπόθεση που ενισχύεται από την ανίχνευση γραμμών CO από αέριο σε απόσταση 12 kpc από το κέντρο του γαλαξία.

2. Να αποτελείται από νετρίνα
Τα νετρίνα με μάζα είναι ένας καλός υποψήφιος για την σκοτεινή ύλη.
 
3. Να αποτελείται από υπερ-συμμετρικά σωματίδια
Να αποτελείται από εξωτική ύλη (νετραλίνο ή selectron ή φωτίνο), δηλαδή από υπερ-συμμετρικά σωματίδια που θα μπορούσαν να έχουν συνενωθεί σε τεράστιες δομές στην άλω των γαλαξιών. Οι θεωρίες "ρήξης" των Υπερσυμμετρικών Θεωριών υποστηρίζουν την ύπαρξη υπερσυμμετρικών σωματιδίων στην γαλαξιακή άλω, ως αντηχήσεις της Μεγάλης Έκρηξης. Σύμφωνα με αυτές τις θεωρίες τα ελαφρύτερα και σταθερότερα υπερσυμμετρικά σωμάτια που δημιουργήθηκαν στο πρώιμο Σύμπαν, έχουν επιβιώσει μέχρι την εποχή μας και εξαϋλώνονται, παράγοντας πολύ ενεργά αντι-πρωτόνια.