26 Δεκεμβρίου 2007 ώρα 3:30 π.μ. στο McMurdo της Ανταρκτικής, επιστήμονες επιφορτισμένοι με την διεξαγωγή ενός πειράματος παρέμειναν όλη τη νύχτα ξάγρυπνοι σε θερμοκρασίες υπό του μηδενός, περιμένοντας τους ανέμους να υποχωρήσουν για να πετάξουν ένα αερόστατο. Τελικά, το γιγάντιο αερόστατο ανεβαίνει. Γεμάτο με περίπου ένα εκατομμύριο κυβικά μέτρα ηλίου, ανέρχεται σε μεγάλο ύψος στην στρατόσφαιρα μεταφέροντας συσκευές για ένα πείραμα που ονομάζεται ATIC.
Για 19 ημέρες, το ATIC γύριζε σε όλο το Νότιο Πόλο, μελετώντας τις κοσμικές ακτίνες που έρχονται από το διάστημα. Μετά, σχεδόν ένα χρόνο αργότερα, η ομάδα του ATIC έκανε μια εκπληκτική δήλωση: βρήκαν ότι περισσότερα από όσο περίμεναν υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια είχαν αφήσει τα σημάδια τους. Αυτό μπορεί να μην φαίνεται σπουδαίο, αλλά το αποτέλεσμα είναι αξιοσημείωτο, διότι μπορεί να είναι ένα ενδεικτικό σημάδι της σκοτεινής ύλης, την αόρατη ουσία που θεωρείται ότι αποτελεί το 85% της ύλης στο σύμπαν.
Η σκοτεινή ύλη κρύβεται από τους ανιχνευτές
Και δεν είναι το μόνο. Μόλις πριν από μήνες, μια ιταλική ομάδα ανέφερε ότι ότι ένα δορυφορικό πείραμα τους, που ονομάζεται PAMELA, παρατήρησε παρόμοια υπερβολή του αριθμού των παρατηρούμενων ηλεκτρονίων, μαζί με μια υπερβολή ποζιτρονίων. Προσθέστε σε αυτά κάποια προηγούμενα αποτελέσματα από δορυφόρους ακτίνων γάμμα και πειράματα για την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης εδώ στη Γη, και ξαφνικά έχουμε μία πληθώρα νέων ενδείξεων σχετικά με την σκοτεινή ύλη.
Σύσταση της σκοτεινής ύλης
«Είναι μια πολύ συναρπαστική στιγμή για να κάνουμε φυσική της σκοτεινής ύλης», λέει ο Dan Hooper, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Fermi στο Ιλλινόις.
Τέτοιοι κρυμμένοι κόσμοι μπορεί να ακούγονται παράξενα, αλλά αυτοί αναδύονται φυσικά από περίπλοκες θεωρίες, όπως η θεωρία χορδών, η οποία επιχειρεί να συνενώσει τα πολύ μικρά και τα πολύ μεγάλα. Οι κρυμμένοι κόσμοι μπορούν, κυριολεκτικά, να είναι γύρω μας. Θα μπορούσαν, θεωρητικά, να κατοικούνται από ένα πλούσιο σύνολο σωματιδίων και να έχουν τις δικές τους δυνάμεις. Ωστόσο, εμείς θα πρέπει να αγνοούμε την ύπαρξή τους, επειδή τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν ασθενώς με την συνηθισμένη ύλη του σύμπαντος. Τον τελευταίο καιρό, οι φυσικοί έχουν πάρει στα σοβαρά την ιδέα ότι τα σωματίδια από τους εν λόγω κρυμμένους τομείς θα μπορούσαν να είναι η σκοτεινή ύλη.
Οι ανιχνευτές της σκοτεινής ύλης
Γνωρίζουμε ελάχιστα σχετικά με την σκοτεινή ύλη, αλλά ξέρουμε ότι η βαρύτητα τους είναι αυτή που κρατάει ενωμένους τους γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών, παρά τις καταπληκτικά μεγάλες ταχύτητες των μεμονωμένων άστρων και γαλαξιών στο εσωτερικό τους, που θα μπορούσαν να ξεφύγουν από τους γαλαξίες ή τα σμήνη αντίστοιχα. Γνωρίζουμε, επίσης, ότι πρέπει να είναι φτιαγμένη από σωματίδια που έχουν μάζα και αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με το περιβάλλον τους. Οτιδήποτε ταιριάζει με την περιγραφή αυτή είναι γνωστά ως Σωματίδια με Μάζα που Αλληλεπιδρούν Ασθενώς (WIMP).
Πάρτε τη συσκευή Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), που πέταξε με το διαστημικό λεωφορείο Discovery το 1998. Η συσκευή αυτή ανίχνευσε περισσότερα ποζιτρόνια στο διάστημα από ό,τι ήταν αναμενόμενο από την κοσμική ακτινοβολία. Το ίδιο και με το τηλεσκόπιο αντιύλης υψηλής ενέργειας (HEAT), που προώθηκε με αερόστατα το 1994, 1995 και 2000. «Αλλά η αποτύπωση των σφαλμάτων δεν ήταν αρκετά καλή για να μάθω αν υπήρχε ή όχι κάτι ενδιαφέρον,» λέει ο φυσικός Neal Weiner του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης.
Τώρα που και τα δύο ATIC και PAMELA επιβεβαιώνουν το πλεόνασμα, τα αποτελέσματα δεν μπορούν πλέον να προεξοφλούνται. Οι αστροφυσικοί μέχρι σήμερα αγωνίζονται να εξηγήσουν το πλεόνασμα των ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Εάν αποτύχουν, τότε το πιθανότερο είναι να οφείλεται στην εξαΰλωση των WIMPs, που το καθένα έχει μια μάζα περίπου 600 με 1000 φορές μεγαλύτερη από ένα πρωτόνιο.
Ταιριάζουν τα νετραλίνα με τα πειραματικά δεδομένα;
Μέχρι στιγμής, το θέμα συναρπάζει. Όμως, οι ερευνητές έχουν να αντιμετωπίσουν προβλήματα όταν προσπαθούν να εντοπίσουν το είδος των σωματιδίων από τα οποία μπορεί να φτιάχνονται τα WIMPs. Από τη δεκαετία του 1980, το κυριότερο υποψήφιο σωματίδιο ήταν ένα σταθερό σωματίδιο που ονομάστηκε νετραλίνο, που αναδύθηκε από τις προσπάθειες των φυσικών να διορθώσουν το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Αυτό το θεωρητικό σωματίδιο έχει αρκετή μάζα, αλληλεπιδρά ασθενώς με την κανονική ύλη και, κυρίως, η πυκνότητα του στις απαρχές του σύμπαντος θα ήταν αρκετή για να μας δώσει την σκοτεινή ύλη που παρατηρούμε σήμερα.
Ωστόσο, τα αποτελέσματα των ATIC και PAMELA θέτουν αυστηρούς περιορισμούς σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης, που δυσκολεύει τα πράγματα για την εξαύλωση και τα νετραλίνα. Σύμφωνα με τις έως τώρα γνώσεις που έχουμε για τα νετραλίνα, θα πρέπει να παράγουν λίγα ηλεκτρόνια με υψηλές ενέργειες και πολλά με μικρές ενέργειας. Το πείραμα ATIC διαπίστωσε το αντίθετο. Όχι μόνο αυτό, αλλά η εξαΰλωση θα πρέπει να δημιουργήσει και αντιπρωτόνια, κάτι που το PAMELA δεν έχει αποδείξει.
«Τα νετραλίνα δεν ταιριάζουν με αυτό το σύνολο δεδομένων», λέει ο Weiner.
Σωματίδια Kaluza-Klein και πρόσθετες διαστάσεις
Δεδομένου αυτών των ‘κτυπημάτων’ κατά των νετραλίνων, πολλοί, συμπεριλαμβανομένης και της ομάδας ATIC, έχουν στραφεί προς άλλον υποψήφιο: στα σωματίδια Kaluza-Klein. Αυτά τα σωματίδια προέκυψαν σε θεωρίες κατά τη δεκαετία του 1930 σε μια προσπάθεια για την ενοποίηση της βαρύτητας με τον ηλεκτρομαγνητισμό θέτοντας μία επιπλέον διάσταση του χώρου.
Σύμφωνα με τις θεωρίες, γνωστά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, μπορούν να εισέλθουν σε μια μικρή, κρυμμένη πρόσθετη διάσταση, όπου μπορούν να κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες. Η ενέργεια της κίνησης στην επιπλέον διάσταση εκδηλώνεται ως μάζα στον κόσμο μας. Έτσι ένα ηλεκτρόνιο που κινείται σε μια ανώτερη διάσταση θα μας φαίνεται ως ένα πολύ βαρύτερο ηλεκτρόνιο Kaluza-Klein, εκτός κι αν η άμεση ανίχνευση ενός τέτοιου ηλεκτρονίου είναι αδύνατη. Αυτά τα βαριά σωματίδια είναι βραχύβια και διασπώνται σε ελαφρότερα σωματίδια τα οποία, όπως τα νετραλίνα, είναι σταθερά και έχουν τις σωστές ιδιότητες της σκοτεινής ύλης.
Το ελαφρύτερο σωματίδιο Kaluza-Klein έχει μια άλλη ελκυστική ιδιότητα. Όταν αυτά τα WIMPs συγκρούονται μεταξύ τους και εξαϋλώνονται, η υλοενέργεια τους μετατρέπεται σε αντίθετα φορτισμένα σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια ή μιόνια και αντιμιόνια, των οποίων η ενέργεια ταιριάζει με τα αποτελέσματα των ATIC και PAMELA. Επιπλέον, τα σωματίδια Kaluza-Klein αναμένεται να παράγουν πολύ λιγότερα αντιπρωτόνια από ότι η εξαΰλωση των νετραλίνων τα οποία, πάλι, ευθυγραμμίζονται με τα τελευταία πειράματα.
«Αυτό που μου αρέσει στο σωματίδια Kaluza-Klein είναι ότι δεν εφευρέθηκε για να εξηγήσει την σκοτεινή ύλη,» λέει ο Hooper.
Ωστόσο, τα απροσδόκητα ευρήματα της σκοτεινής ύλης θα μπορούσαν να μας πουν ότι το σύμπαν είναι ακόμη πιο άγνωστο από ό,τι εμείς υποψιαζόμαστε. Ερευνητές έχουν ξαναδεί κι άλλες ανώμαλες παρατηρήσεις του παρελθόντος, συμπεριλαμβανομένων και των παρατηρήσεων από τον δορυφόρο ακτίνων γάμμα INTEGRAL της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος, το 2002.
Εκπομπές ακτίνων-γ στο διάστημα
Το INTEGRAL ανίχνευσε πολύ λαμπρές εκπομπές των φωτονίων με ενέργεια ακριβώς 511 keV στον Γαλαξία. Τέτοια φωτόνια Εσείς περιμένουμε να βρούμε όταν τα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια εξαϋλώνονται παράγοντας ακτίνες γάμμα.
«Το ερώτημα είναι πόσοι ποζιτρόνια υπάρχουν και από πού προέρχονται;» λέει ο Weiner. «Η κατανομή τους δεν μοιάζει με αυτό που περιμένουμε από αστροφυσικές πηγές», όπως είναι τα σουπερνόβα ή τα μικροβάζαρ.
Μήπως οι εν λόγω εκπομπές προέρχονται από σκοτεινή ύλη; Το 2007, οι Weiner και Doug Finkbeiner του Πανεπιστημίου του Harvard καταπιάστηκαν με τα αποτελέσματα του INTEGRAL. Αυτοί υπολόγισαν ότι εάν τα WIMPs μπορούσαν να βρεθούν σε μια διεγερμένη κατάσταση όταν συγκρούονται μεταξύ τους τότε θα μπορούσαν να εκπέμπουν φωτόνια 511 keV , όταν επανέρχονται στην βασική τους κατάσταση.
Νέα άγνωστη αλληλεπίδραση;
Ωστόσο, για να επιτευχθεί αυτή η κατάσταση, οι Weiner και Finkbeiner έπρεπε να υποθέσουν ότι τα WIMPs αλληλοεπηρεάστηκαν μέσω μια νέας δύναμης. Καθημερινές δυνάμεις, όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός, μεταδίδονται με σωματίδια φορείς της δύναμης (φωτόνια) που εξακοντίζονται ανάμεσα στα δύο φορτισμένα σωματίδια. Κατά τον ίδιο τρόπο, οι Weiner και Finkbeiner υπολόγισαν ότι η νέα τους δύναμη χρειάζεται ένα υποθετικό σωματίδιο που ζυγίζει περίπου το ίδιο με ένα πρωτόνιο και κινείται ανάμεσα στα WIMPs μόνο. Αυτό σημαίνει ότι το καθιερωμένο μοντέλο σωματιδίων δεν ‘αισθάνεται’ αυτή την δύναμη. Η σκοτεινή ύλη, όπως φαίνεται, θα μπορούσε να ανήκει σε έναν κρυμμένο τομέα (πεδίο) του σύμπαντος.
Οι κρυμμένοι τομείς ή πεδία έχουν μελετηθεί από τον Matthew Strassler του Πανεπιστημίου Rutgers στο New Jersey, και την Kathryn Zurek του Fermilab. «Όταν μιλάμε για κρυμμένους κόσμους, αυτό που λέμε είναι ότι θα μπορούσε να υπάρχει ένα πεδίο τόσο περίπλοκο, όπως τα ορατά πεδία, αλλά είναι προστατευμένο από εμάς, επειδή ο τρόπος που επικοινωνεί με τα ηλεκτρόνια και τους πυρήνες είναι πολύ ασθενής», λέει η Zurek.
Όταν οι Weiner και Finkbeiner αρχικά πρότειναν τις σκοτεινές δυνάμεις για να εξηγήσουν την ανωμαλία του INTEGRAL, η ιδέα τους έγινε δεκτή με σκεπτικισμό. Στη συνέχεια ήρθαν τα αποτελέσματα των ATIC και PAMELA. Για να συμβιβάσει όλες τις διαπιστώσεις, η ομάδα αυτή επανεξέτασε την ιδέα τους και, προς έκπληξή τους, διαπίστωσε ότι η νέα δύναμη έλκει τα WIMPs και αυξάνει την πιθανότητα ότι θα συγκρουστούν και να εξαϋλωθούν.
Αποδεικνύεται ότι η σκοτεινή δύναμη ενισχύει τον ρυθμό εξαΰλωσης των αργά κινούμενων WIMPs κατά δύο έως τρεις τάξεις μεγέθους, όπως απαιτείται για να εξηγήσει τα αποτελέσματα των ATIC και PAMELA. Ωστόσο, δεν έχει καμία επίπτωση στα πολύ ταχύτερα σωματίδια που γέμιζαν το νεαρό σύμπαν. Όλα αυτά σημαίνουν ότι θα πρέπει ακόμη να υπάρχουν άφθονα WIMPs γύρω μας, που θα είμαστε σε θέση να βλέπουμε την εξαΰλωση τους.
Οι υπολογισμοί του Arkani-Hamed επίσης δείχνουν ότι όταν ένα σωματίδιο WIMPs εξαϋλώνεται μπορεί να παράγει τους φορείς της σκοτεινής δύναμης. Επειδή αυτά τα νέα σωματίδια ζυγίζουν περίπου το ίδιο με ένα πρωτόνιο, αυτά είναι πολύ ελαφρά για να διασπαστούν σε ένα πρωτόνιο και ένα αντιπρωτόνιο. Επομένως, αντιθέτως θα διασπώνται στα ελαφρότερα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια.
Ο Weiner λέει πως η ομάδα του ήταν ενθουσιασμένη από τα αποτελέσματα, διότι το ίδιο πράγμα που αύξησε τον αριθμό των εξαϋλώσεων είναι το ίδιο πράγμα που δίνει ένα πλεόνασμα των ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων – χωρίς αντιπρωτόνια. Στην δε πρώτη τους «ενοποιημένη θεωρία» περιέγραψαν τα αποτελέσματα από τα πειράματα των ATIC, PAMELA και INTEGRAL.
Όμως κανένα άλλο πείραμα που αναζητά άμεσες επαφές με την σκοτεινή ύλη, όπως ο ανιχνευτής CDMS στο υπόγειο εργαστήριο Soudan στην Μινεσότα, έχουν δει τίποτα τέτοιο. Εξαιτίας αυτού, οι περισσότεροι φυσικοί έχουν απορρίψει το πόρισμα Dama / LIBRA.
Μήπως η σκοτεινή ύλη είναι περίπλοκη;
Έτσι λοιπόν ποιά αποτελέσματα είναι σωστά; Και τα δύο, λέει ο Weiner, ο οποίος ισχυρίζεται ότι η ενοποιημένη θεωρία μπορεί να εξηγήσει τη διαφορά μεταξύ των αποτελεσμάτων Dama/LIBRA και CDMS. Η παραδοσιακή άποψη της σκοτεινής ύλης προβλέπει σωματίδια του ίδιου τύπου που αναπηδούν στους πυρήνες, σαν τις μπάλες μπιλιάρδου. Η ομάδα CDMS υποθέτει πως αυτό θα συμβεί στο εσωτερικό του ανιχνευτή τους. Αλλά αν η σκοτεινή ύλη είναι πιο περίπλοκη, όπως ισχυρίζεται η ομάδα Weiner, τότε οι συγκρούσεις με τους πυρήνες μπορούν αντίθετα να δημιουργήσουν διεγερμένες καταστάσεις της σκοτεινής ύλης.
Αυτό το σενάριο ευνοεί τους ανιχνευτές που χρησιμοποιούν υλικό με βαρύτερους πυρήνες. Το πείραμα Dama/LIBRA περιέχει ιώδιο, το οποίο είναι σημαντικά βαρύτερο από το πυρίτιο και το γερμάνιο εντός του CDMS, και έτσι το Dama/LIBRA είναι πιο πιθανό να κάνει ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, πιστεύει ο Weiner.
Ο Hooper είναι εντυπωσιασμένος με την υπόθεση εργασίας, αλλά παραμένει επιφυλακτικός. «Το πράγμα που είναι ελκυστικό στο μοντέλο τους είναι ότι σκοτώνει πολλά πουλιά με μια σφαίρα», λέει. «Ωστόσο, πρόκειται για μια πολύ προσεκτικά σχεδιασμένη σφαίρα για να τα σκοτώσει όλα.»
Μια σύνθετη εικόνα του δίσκου της σκοτεινής μάζας (κόκκινο σχήμα) και ο Άτλας του Γαλαξία μας
Ενώ αυτή η ενοποιημένη θεωρία έχει προσελκύσει την προσοχή, από τότε που δόθηκε στη δημοσιότητα, υπάρχουν εμπόδια. Αν αυτή είναι σωστή, τότε η υψηλή πυκνότητα της σκοτεινής ύλης στο κέντρο του Γαλαξία σημαίνει ότι θα πρέπει εκεί να υπάρχει αρκετή εξαΰλωση – και πολλά ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. Εμείς θα περιμένουμε να δούμε αυτά τα φορτισμένα σωματίδια να κάνουν σπειροειδείς κινήσεις γύρω από μαγνητικά πεδία, παράγοντας μια έντονη ακτινοβολία σύγχροτρον.
«Δεν μπορείτε να τη δείτε,» λέει ο Lars Bergström, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης στη Σουηδία, ο οποίος έχει εξετάσει λεπτομερώς μετρήσεις ραδιο-τηλεσκοπίων κοντά στο κέντρο του Γαλαξία. Λοιπόν, πώς θα πούμε πως είναι σωστό αντί για λάθος;
Σε αυτό θα βοηθήσουν κι άλλα πειράματα. Το ένα είναι ο δορυφόρος Fermi, που ξεκίνησε την περασμένη χρονιά, που θα μπορούσε να επιβεβαιώσει με ένα υψηλό βαθμό ακρίβειας την υπερβολή των ηλεκτρονίων με ένα ευρύ φάσμα ενέργειας. Αν τα WIMPs πραγματικά έχουν 600 φορές μεγαλύτερη μάζα από τα πρωτόνια, τότε θα περιμέναμε να δούμε μια απότομη μείωση του αριθμού των ηλεκτρονίων, με ενέργεια πάνω από ένα ορισμένο όριο. Ο ανιχνευτής HESS στη Ναμίμπια, που μετρά φωτόνια εκπεμπόμενα από ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας τα οποία κτυπούν την ατμόσφαιρα, θα πρέπει επίσης να είναι ευαίσθητος σε αυτή τη μείωση. Σε περίπτωση που διαπιστώσει κάτι τέτοιο, θα είναι ένα εκπληκτικό σήμα, καθώς αυτό δεν μπορεί να παραχθεί από αστροφυσικά πηγές.
Ο δορυφόρος Fermi θα είναι επίσης σε θέση να δει ακτίνες γάμμα που παράγονται όταν εξαϋλώνονται τα WIMPs. Οι ενέργειες σε αυτές τις ακτίνες θα πρέπει να διαφοροποιήσει τις καταστάσεις Kaluza-Klein από τα νετραλίνο. Ο δορυφόρος Fermi ακόμη θα είναι σε θέση να εντοπίσει από ποιά σημεία στον ουρανό προέρχονται οι ακτίνες γάμμα. Αν εντοπίσει μια μεγάλη συγκέντρωση στην γειτονιά μας, τότε τα νετραλίνα θα είναι ευνοημένα καθώς οι ισχυρισμοί εναντίον τους υποθέτουν ότι η σκοτεινή ύλη είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη σε όλο το γαλαξιακό φωτοστέφανο.
Μπορεί επίσης να συγκεντρώσει στοιχεία από πιο κοντά μας για να επιβεβαιώσει αυτό το γεγονός. Η Pauline Gagnon, μια πειραματική φυσικός που εργάζεται στο Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής CERN, συζητάει με τον φυσικό Neal Weiner σχετικά με την επιβεβαίωση της ενοποιημένη τους θεωρίας. Προκαταρκτικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Αδρονίων στη Γενεύη θα μπορούσε να παράγει αυτό το νέο άγνωστο φορέα δύναμης, που θα μπορούσε ενδεχομένως να διασπαστεί σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Η Gagnon συνεργάζεται με άλλους για να δούνε πώς θα εμφανιστούν στον γιγαντιαίο ανιχνευτή ATLAS αυτά τα μηνύματα.
Όλες οι ελπίδες μας στηρίζονται στα ευρήματα του δορυφόρου Fermi για έμμεσες ενδείξεις για τη φύση της σκοτεινής ύλης. «Αν λοιπόν διαπιστώσουμε ότι σωματίδια με το ίδιο είδος μάζας και ιδιότητες δημιουργούνται στον επιταχυντή LHC, νομίζω ότι και ο τελευταίος σκεπτικιστής θα αποδεχόταν ότι αυτό μπορούμε να το παρατηρήσουμε εκεί έξω στο διάστημα», λέει ο Hooper.
Δεν υπάρχουν σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου