CERN: Κυνηγώντας τα Σκοτεινά Κουάρκ

Αυτό πια το γνωρίζουμε καλά: τα κουάρκ είναι τα μικρότερα σωμάτια που γνωρίζουμε. Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) της σωματιδιακής φυσικής, το οποίο περιγράφει όλα τα γνωστά σωμάτια και τις αλληλεπιδράσεις τους, τα κουάρκ θα πρέπει να είναι απείρως μικρά. Τώρα, αν αυτό δεν είναι αρκετά εντυπωσιακό, ας εισαχθούν στο προσκήνιο τα σκοτεινά κουάρκ – τα υποθετικά σωμάτια που έχουν προταθεί για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη, μια αόρατη μορφή ύλης που πληροί το σύμπαν και διατηρεί συγκροτημένους τόσο τον δικό μας όσο και τους άλλους γαλαξίες.

Σε πρόσφατη μελέτη, η συνεργασία CMS περιγράφει πώς έχει ξεκαθαρίσει τα δεδομένα από τον LHC (Large Hadron Collider) για να προσπαθήσει και να εντοπίσει τα σκοτεινά κουάρκ. Παρόλο που η ολοκλήρωση της έρευνας – σύμφωνα με την ανάρτηση στην ιστοσελίδα του CERN – ήλθε με άδεια χέρια, επέτρεψε στην ομάδα να πλησιάσει πιο κοντά στα γονεϊκά σωματίδια από τα οποία μπορεί να παράγονται τα σκοτεινά κουάρκ.

Μια ενδιαφέρουσα θεωρία επεκτείνει το Καθιερωμένο Πρότυπο για να εξηγήσει γιατί οι παρατηρούμενες πυκνότητες μάζας της συνηθισμένης ύλης και της σκοτεινής ύλης είναι ίδιες. Αυτό το κάνει επικαλούμενη την ύπαρξη σκοτεινών κουάρκ που αλληλεπιδρούν με τα συνηθισμένα κουάρκ μέσω ενός σωμάτιου-διαμεσολαβητή. Αν τέτοια σωμάτια-μεσάζοντες παράγονται σε ζεύγη σε συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων, κάθε σωμάτιο- μεσάζοντας του ζεύγους θα μετασχηματίζεται σε ένα κανονικό κουάρκ και σε ένα σκοτεινό κουάρκ, που και τα δυο θα παράγουν ένα σπρέι, ή «πίδακα», σωματιδίων αποκαλούμενα αδρόνια, που συνίστανται από κουάρκ ή σκοτεινά κουάρκ. Συνολικά, θα υπάρχουν δυο πίδακες κλασικών αδρονίων που θα δημιουργούνται στο σημείο της σύγκρουσης και δυο «αναδυόμενοι» πίδακες που θα αναδύονται σε μια κάποια απόσταση μακριά από το σημείο σύγκρουσης επειδή τα σκοτεινά αδρόνια θα πάρουν ορισμένο χρόνο για να διασπαστούν σε ορατά σωμάτια.

Στη μελέτη τους, οι ερευνητές του CMS αναζήτησαν μέσα στα δεδομένα από τις συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων που συλλέχθηκαν στο LHC σε μια ενέργεια των 13 TeV για να αναζητήσουν για περιπτώσεις, ή «γεγονότα», στα οποία μπορεί να συμβαίνουν τέτοια σωμάτια-μεσάζοντες και οι συσχετιζόμενοι με αυτά αναδυόμενοι πίδακες. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δυο διακριτά χαρακτηριστικά για να προσδιορίσουν αναδυόμενους πίδακες και να τους εξάγουν από ένα υπόβαθρο γεγονότων που αναμένεται να μιμείται τα χαρακτηριστικά τους.

Η ομάδα δεν βρήκε ισχυρά στοιχεία για την ύπαρξη τέτοιων αναδυόμενων πιδάκων, όμως τα δεδομένα τους επέτρεψαν να αποκλειστούν μάζες για το υποθετικό σωμάτιο-μεσάζοντα των 400 – 1250 GeV για σκοτεινά πιόνια που κινούνται για αποστάσεις μεταξύ 5 και 225 χιλιοστών (mm) πριν διασπαστούν. Τα αποτελέσματα είναι τα πρώτα από μια έρευνα αποκλειστικά για τέτοια σωμάτια-μεσάζοντες και πίδακες.