Τελικά δεν υπάρχουν τα σωματίδια WIMP της σκοτεινής ύλης

Η σκοτεινή ύλη δεν είναι μόνο η πιο άφθονη μορφή ύλης στο Σύμπαν (περίπου το 85% αυτής), είναι επίσης η πιο μυστηριώδης. Ενώ όλα τα άλλα σωματίδια που γνωρίζουμε – άτομα, νετρίνα, φωτόνια, αντιύλη και όλα τα άλλα σωματίδια στο Καθιερωμένο Μοντέλο – αλληλεπιδρούν μέσω τουλάχιστον μιας από τις γνωστές κβαντικές δυνάμεις, η σκοτεινή ύλη φαίνεται να αλληλεπιδρά μέσω της βαρύτητας μόνη της.

 

Η αναζήτηση για τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης μας οδήγησε να αναζητήσουμε τα WIMP που μπορούν να συγκρουστούν με τους ατομικούς πυρήνες. Η ερευνητική συνεργασία LZ (LUX-ZEPLIN) παρείχε τα καλύτερα όρια για τις ενεργές διατομές σύγκρουσης των νουκλεονίων με τα WIMP, αλλά τα σενάρια για την ύπαρξη αυτών των Σωματιδίων με Ασθενή Αλληλεπίδραση (WIMP) έχουν ήδη αποκλειστεί .

Σύμφωνα με πολλούς, θα ήταν καλύτερο να την ονομάζαμε αόρατη ύλη, αντί για σκοτεινή ύλη. Όχι μόνο δεν εκπέμπει ούτε απορροφά το φως, αλλά δεν αλληλεπιδρά με κανένα από τα γνωστά, άμεσα ανιχνεύσιμα σωματίδια μέσω των ηλεκτρομαγνητικών, ισχυρών ή ασθενών πυρηνικών δυνάμεων. Το πιο περιζήτητο υποψήφιο για την σκοτεινή ύλη ήταν το WIMP: το Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδιο με Μάζα. Η μεγάλη ελπίδα ήταν να γίνει ένα θαύμα του WIMP, μια μεγάλη πρόβλεψη για την υπερσυμμετρία. 

 

Αλλά τώρα το 2019, και αυτή η ελπίδα είναι πλέον κομμένη. Τα πειράματα άμεσης ανίχνευσης έχουν αποκλείσει πλήρως τα WIMP που ελπίζαμε να δούμε.

Όταν συγκρούονται οποιαδήποτε δύο σωματίδια μαζί, δοκιμάζουμε την εσωτερική δομή των σωματιδίων που συγκρούονται. Αν ένα από αυτά δεν είναι θεμελιώδες, αλλά είναι μάλλον ένα σύνθετο σωματίδιο, αυτά τα πειράματα μπορούν να αποκαλύψουν την εσωτερική του δομή. Εδώ, σχεδιάστηκε ένα πείραμα για τη μέτρηση του σήματος σκέδασης σκοτεινής ύλης / νουκλεονίου. Ωστόσο, υπάρχουν πολλές κοσμικές συνεισφορές στο παρελθόν που θα μπορούσαν να δώσουν παρόμοιο αποτέλεσμα. Αυτό το συγκεκριμένο σήμα θα εμφανιστεί σε ανιχνευτές γερμανίου, υγρού ξένον και υγρού αργού.

 

Το Σύμπαν, από αστροφυσική άποψη, πρέπει να έχει περισσότερη ύλη από την κανονική βαρυονική που γνωρίζουμε. Η κανονική ύλη, σε αυτή την περίπτωση, αποτελείται από τα γνωστά σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου. Περιλαμβάνει οτιδήποτε φτιάχνεται από κουάρκ, από λεπτόνια ή τα γνωστά μποζόνια και περιλαμβάνει εξωτικά αντικείμενα όπως αστέρια νετρονίων, μαύρες τρύπες και αντιύλη. Όλη η φυσιολογική ύλη στο Σύμπαν έχει υπολογιστεί μέσω μιας ποικιλίας μεθόδων και ανέρχεται μόνο στο 1/6 περίπου από αυτό που πρέπει να υπάρχει συνολικά στον Κόσμο για να εξηγήσουμε τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις που βλέπουμε σε κοσμικές κλίμακες.

 

Το μεγάλο πρόβλημα, φυσικά, είναι ότι όλα τα αποδεικτικά στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη είναι έμμεσα. Μπορούμε να παρατηρήσουμε τα αποτελέσματά της στο αστροφυσικό εργαστήριο του διαστήματος, αλλά ποτέ δεν την ανιχνεύσαμε άμεσα, σε ένα εργαστήριο εδώ στη Γη. Αυτό δεν οφείλεται στην έλλειψη προσπάθειας.

 

Εάν θέλετε να ανιχνεύσετε απευθείας τη σκοτεινή ύλη, δεν είναι τόσο απλό όσο η ανίχνευση των γνωστών σωματιδίων του Καθιερωμένου Μοντέλου. Για όσα σωματίδια φτιάχνονται από κουάρκ, λεπτόνια ή τα γνωστά μποζόνια, μπορούμε να υπολογίσομε με ακρίβεια με ποιές δυνάμεις αλληλεπιδρούν και με ποιο μέγεθος. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ό, τι γνωρίζουμε για τη φυσική και ιδιαίτερα για τις γνωστές δυνάμεις και αλληλεπιδράσεις μεταξύ των γνωστών σωματιδίων, για να προβλέψουμε ποσότητες όπως ενεργές διατομές, ρυθμούς διάσπασης και τα προϊόντα τους, πλάσματα διασκορπισμού καθώς και άλλες ιδιότητες που είμαστε σε θέση να μετρήσουμε στην πειραματική φυσική σωματιδίων.

 

Μέχρι το 2019, έχουμε δει τεράστια επιτυχία σε εκείνα τα μέτωπα που έχουν επιβεβαιώσει το Καθιερωμένο Μοντέλο με τρόπους που οι θεωρητικοί και οι πειραματιστές που μόνο στο όνειρο τους θα μπορούσαν να είχαν σκεφτεί πριν από μισό αιώνα. Ανιχνευτές σε επιταχυντές συγκρουόμενων σωματιδίων μέσα σε απομονωμένους υπόγειους χώρους, μας οδήγησαν προς τα εμπρός.

 

Τα σωματίδια και τα αντισωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου έχουν πλέον ανιχνευθεί άμεσα, με το τελευταίο να είναι το μποζόνιο Higgs, που το ανιχνεύσαμε το 2012 στον  LHC. Όλα αυτά τα σωματίδια μπορούν να δημιουργηθούν με τις ενέργειες του LHC και οι μάζες των σωματιδίων οδηγούν σε θεμελιώδεις σταθερές που είναι απολύτως απαραίτητες για να τις περιγράψουμε πλήρως. Αυτά τα σωματίδια μπορούν να περιγραφούν καλά από τη φυσική των κβαντικών θεωριών πεδίου που αποτελούν το βασικό μοντέλο, αλλά δεν περιγράφουν τα πάντα, όπως η σκοτεινή ύλη.

 

Υπάρχει ένα ολόκληρο φάσμα σωματιδίων – τόσο θεμελιωδών όσο και σύνθετων – που προβλέπεται από το Πρότυπο Μοντέλο. Οι αλληλεπιδράσεις τους μέσω των ισχυρών πυρηνικών, ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών πυρηνικών δυνάμεων μπορούν να υπολογιστούν μέσω τεχνικών που αναπτύσσονται στη θεωρία του κβαντικού πεδίου, επιτρέποντάς μας να δημιουργήσουμε και να ανιχνεύσουμε αυτά τα σωματίδια με διάφορους τρόπους.

• Κάθε απλό κουάρκ και αντίκουρκ να έχει παραχθεί άμεσα σε έναν επιταχυντή, με το κορυφαίο top κουάρκ, να είναι το τελευταίο που ανακαλύφθηκε το 1995.
• Κάθε λεπτόνιο και αντιλεπτόνιο να έχει παρατηρηθεί από τους ανιχνευτές, με το νετρίνο tau (καθώς και το αντίστοιχο αντινετρίνο tau) που συμπλήρωσε το σύνολο των λεπτονίων να βρεθεί στο πρώτο τμήμα της δεκαετίας του 2000.
• Και κάθε ένα από τα μποζόνια του Καθιερωμένου Μοντέλου να έχει δημιουργηθεί και εντοπιστεί, με το μποζόνιο Higgs το τελευταίο κομμάτι του παζλ να έχει εμφανιστεί  οριστικά στο LHC το 2012. Η πρώτη ισχυρή ανίχνευση με μεγάλη βεβαιότητα του μποζονίου Higgs ανακοινώθηκε από τους συνεργαζόμενους φυσικούς στους ανιχνευτές CMS και ATLAS. Αλλά το μποζόνιο Higgs δεν παράγει ούτε μια νέα «ακίδα» στα δεδομένα, εξαιτίας της εγγενούς αβεβαιότητας του στη μάζα. Η τιμή της μάζας του στα 125 GeV / c ^ 2 είναι αινιγματική για τους φυσικούς, αλλά όχι τόσο διασκεδαστικό όσο το παζλ της σκοτεινής ύλης.

Κατανοούμε πώς συμπεριφέρονται τα σωματίδια του Τυπικού Μοντέλου. Έχουμε ισχυρές προβλέψεις για το πώς πρέπει να αλληλεπιδρούν μέσω όλων των θεμελιωδών δυνάμεων και την πειραματική επιβεβαίωση αυτών των θεωριών. Έχουμε επίσης εξαιρετικούς περιορισμούς ως προς τον τρόπο με τον οποίο τους επιτρέπεται να αλληλεπιδρούν με τρόπο πέρα ​​από το καθιερωμένο μοντέλο. Λόγω των περιορισμών μας από επιταχυντές, κοσμικές ακτίνες, πειράματα αποσύνθεσης, πυρηνικούς αντιδραστήρες και άλλα, μπορέσαμε να αποκλείσουμε πολλές πιθανές ιδέες που είχαν αναπτυχθεί θεωρητικά.

 

Όσο για το θέμα της σκοτεινής ύλης, όμως, το μόνο που έχουμε είναι οι αστροφυσικές παρατηρήσεις και το θεωρητικό μας έργο, να μας καθοδηγούν παράλληλα. Οι πιθανές θεωρίες που έχουμε καταλήξει περιλαμβάνουν έναν τεράστιο αριθμό υποψηφίων σκοτεινής ύλης, αλλά κανένας δεν έχει συγκεντρώσει οποιαδήποτε πειραματική υποστήριξη.

 

Οι δυνάμεις στο Σύμπαν και αν μπορούν αυτές να αλληλεπιδράσουν με τη σκοτεινή ύλη ή όχι. Η βαρύτητα είναι σίγουρη ότι αλληλεπιδρά. Όλες οι άλλες είτε δεν μπορούν είτε είναι εξαιρετικά περιορισμένες ως προς το επίπεδο της αλληλεπίδρασης.

 

Η πιο μελετημένη υποψήφια θεωρία για την σκοτεινή ύλη είναι το WIMP: το Ασθενώς Αλληλεπιδρών Σωματίδιο με Μάζα. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, διαπιστώθηκε ότι ορισμένες θεωρίες της φυσικής των σωματιδίων που προέβλεπαν νέα σωματίδια πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο θα μπορούσαν ενδεχομένως να παράγουν νέους τύπους σταθερών ουδέτερων σωματιδίων, αν υπήρχε όμως κάποιος νέος τύπος συμμετρίας της ισοτιμίας (parity) που θα τα εμπόδιζε να διασπαστούν.

 

Αυτή η άποψη περιλαμβάνει τώρα νέες ιδέες όπως η υπερσυμμετρία, οι πρόσθετες διαστάσεις ή το μικρό σενάριο Higgs. Όλα αυτά τα σενάρια έχουν την ίδια κοινή ιστορία:

• Όταν το Σύμπαν ήταν καυτό και πυκνό στα πρώτα του στάδια, όλα τα σωματίδια (και αντισωματίδια) που θα μπορούσαν να δημιουργηθούν, δημιουργήθηκαν σε μεγάλη αφθονία, συμπεριλαμβανομένων και οποιωνδήποτε πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο.
• Όταν το Σύμπαν ψύχθηκε, τα σωματίδια αυτά κατέρρευσαν σε προοδευτικά ελαφρύτερα και πιο σταθερά.
• Και αν το ελαφρύτερο σωματίδιο ήταν σταθερό (εξαιτίας της νέας συμμετρίας ισοτιμίας) και ηλεκτρικά ουδέτερο, θα διατηρούνταν μέχρι σήμερα.
  Αν αξιολογήσετε ποια είναι η μάζα και η διατομή αυτών των νέων σωματιδίων, μπορείτε να πάρετε μια προβλεπόμενη πυκνότητα για την εκτιμώμενη αφθονία τους σήμερα.

Από εκεί προέρχεται η ιδέα της σκοτεινής ύλης με τα  WIMP. Αυτά τα νέα σωματίδια δεν θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με την ισχυρή ή ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις έχουν υπερβολικά υψηλή ενεργό διατομή και θα είχαν ήδη εμφανιστεί. Αλλά η ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση έχει μια μεγαλύτερη πιθανότητα. Αρχικά, το «W» (ασθενής) στο WIMP ήταν για την ασθενή αλληλεπίδραση, λόγω μιας θεαματικής σύμπτωσης (που εμφανίζεται στην υπερσυμμετρία) γνωστή ως το θαύμα του WIMP .

 

Εάν βάλετε την πυκνότητα της σκοτεινής ύλης που απαιτεί σήμερα το Σύμπαν, μπορείτε να εξαγάγετε πόσα σωματίδια σκοτεινής ύλης χρειάζεστε για μια δεδομένη μάζα. Η κλίμακα μάζας που ενδιαφέρει την υπερσυμμετρία  – ή οποιαδήποτε θεωρία εμφανίζεται στην ηλεκτρασθενή κλίμακα  – βρίσκεται ανάμεσα στα 100 GeV έως 1 TeV, κι έτσι μπορούμε να υπολογίσουμε  ποιά πρέπει να είναι η ενεργός διατομή αυτο-εξαΰλωσης για να πάρει κάποιος τη σωστή ποσότητα της σκοτεινής ύλης στον Κόσμο.

 

Αυτή η τιμή (της διατομής πολλαπλασιασμένη με την ταχύτητα) υπολογίζεται περίπου σε 3 × 10^-26 cm³/s, πράγμα που συμβαδίζει με αυτό που θα περίμενε κανείς αν τέτοιου είδους σωματίδια αλληλεπιδρούσαν μέσω της ηλεκτρασθενούς δύναμης.

 

Φυσικά, εάν τυχόν νέα σωματίδια αλληλεπιδρούν μέσω της ηλεκτρασθενούς δύναμης, αυτά θα ζευγαρώσουν επίσης και με τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου. Εάν ένα νέο σωματίδιο ενωθεί με, για παράδειγμα, το μποζόνιο W ή Z (που μεταφέρει την ασθενή δύναμη), τότε υπάρχει μια πεπερασμένη μη μηδενική πιθανότητα ότι αυτά τα σωματίδια θα συγκρουστούν με οποιοδήποτε σωματίδιο που ενώνεται με ένα μποζόνιο W ή Ζ, σαν το κουάρκ μέσα σε ένα πρωτόνιο ή νετρόνιο.

 

Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να κατασκευάσουμε πειράματα σκοτεινής ύλης αναζητώντας πυρηνική ανάκρουση γνωστών σωματιδίων κανονικής ύλης. Οι ανακρούσεις πέρα ​​από αυτές που προκαλούνται από την κανονική ύλη θα ήταν απόδειξη για την ύπαρξη σκοτεινής ύλης. Σίγουρα, υπάρχουν κι άλλα σωματίδια στο παρασκήνιο – περιβάλλον: νετρόνια, νετρίνα, ραδιενεργοί πυρήνες που διασπώνται κλπ. Αλλά αν γνωρίζετε τους συνδυασμούς ενέργειας και ορμής του σήματος που αναζητάτε και σχεδιάζετε έξυπνα το πείραμά σας, μπορείτε να ποσοτικοποιήσετε το background και να εξαγάγετε οποιοδήποτε πιθανό σήμα σκοτεινής ύλης που μπορεί να υπάρχει.

 

Αυτά τα πειράματα συνεχίζονταν εδώ και δεκαετίες και δεν έχουν δει καμιά σκοτεινή ύλη. Οι πιο αυστηροί σύγχρονοι περιορισμοί προέρχονται από την ερευνητική συνεργασία LUX και XENON 1T. Αυτά τα αποτελέσματα μας πληροφορούν ότι η ενεργός διατομή αλληλεπίδρασης για τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι εξαιρετικά μικρή και είναι διαφορετική τόσο για τα σενάρια τα εξαρτώμενα από το σπιν όσο και τα ανεξάρτητα από το σπιν.

 

Δυστυχώς το LUX και το πείραμα από το XENON μας έδωσε διατομές αρκετά χαμηλές που απέκλεισε όλα τα μοντέλα της SUSY (υπερσυμμετρίας) σκοτεινής ύλης που προτάθηκε το 2001.

 

Τα μοντέλα υπερσυμμετρίας ή των επιπλέον διαστάσεων που δίνουν τη σωστή αφθονία της σκοτεινής ύλης μέσω των ασθενών αλληλεπιδράσεων αποκλείονται από αυτά τα πειράματα. Εάν υπάρχει σκοτεινή ύλη τύπου WIMP, πρέπει να είναι ασθενέστερη από την ασθενή αλληλεπίδραση, επιτρέποντας να περιλαμβάνει το 100% της σκοτεινής ύλης. Επιπλέον,  ο LHC δεν θα πρέπει να το παράγει με ανιχνεύσιμο τρόπο.  Υπήρξε μια τεράστια ποικιλία πιθανών νέων υπογραφών φυσικής που οι φυσικοί αναζητούσαν εναγωνίως στο LHC, από τις πρόσθετες διαστάσεις και τη σκοτεινή ύλη έως τα υπερσυμμετρικά σωματίδια μέχρι και τις μικροσκοπικές μαύρες τρύπες. Παρά τα δεδομένα που συλλέξαμε από αυτές τις συγκρούσεις υψηλής ενέργειας, κανένα από αυτά τα σενάρια δεν έδειξε στοιχεία που να υποστηρίζουν την ύπαρξή τους.

 

Αλλά η εκτέλεση αυτών των πειραμάτων άμεσης ανίχνευσης εξακολουθεί να είναι εξαιρετικά πολύτιμη. Υπάρχουν όμως κι άλλοι τρόποι για να παραχθεί σκοτεινή ύλη που υπερβαίνει το πιο συμβατικό σενάριο. Επιπλέον, αυτοί οι περιορισμοί δεν απαιτούν μια πηγή σκοτεινής ύλης που δεν είναι WIMP.  Πολλά άλλα ενδιαφέροντα σενάρια δεν χρειάζονται ένα θαύμα WIMP.

 

Για πολλές δεκαετίες, το «W» έχει αναγνωριστεί ότι δεν στέκει στην ασθενή αλληλεπίδραση, αλλά για να υποστηρίζει μια αλληλεπίδραση  όχι ισχυρότερη από αυτή που επιτρέπει η ασθενής δύναμη. Αν έχουμε νέα σωματίδια πέρα ​​από το καθιερωμένο μοντέλο, έχουμε τη δυνατότητα να έχουμε και νέες δυνάμεις και αλληλεπιδράσεις. Πειράματα όπως το XENON και το LUX είναι ο μόνος μας τρόπος για να τα δοκιμάσουμε.

 

Επιπλέον, τα υποψήφια σωματίδια σκοτεινής ύλης που παράγονται από διαφορετικό μηχανισμό σε χαμηλότερες σειρές μάζας, όπως τα άξιον  ή τα άγονα νετρίνα, ή μέσω της βαρυτικής αλληλεπίδρασης μόνο σε υψηλότερες μάζες, όπως τα WIMPzillas , βρίσκονται ακόμα σε μεγάλο βαθμό μέσα στο παιχνίδι.

 

Το κυνήγι μας για τη σκοτεινή ύλη στο εργαστήριο, μέσω προσπαθειών για άμεσης ανίχνευση, συνεχίζει να θέτει σημαντικούς περιορισμούς για το αν η φυσική μπορεί να υπάρχει πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Ωστόσο, για όσους συνδέονται με θαύματα, όλα τα θετικά αποτελέσματα εμφανίζονται όλο και πιο απίθανα. Αυτή η αναζήτηση τώρα θυμίζει τον μεθυσμένο που ψάχνει τα χαμένα κλειδιά του κάτω από το φανάρι. Ξέρει ότι δεν είναι εκεί, αλλά είναι το μόνο μέρος όπου το φως του δίνει τη δυνατότητα να κοιτάξει ότι λάμπει.

 

Το θαύμα του WIMP μπορεί να είναι νεκρό και να έχει πετάξει, καθώς τα σωματίδια που αλληλεπιδρούν μέσω της ασθενούς δύναμης στην ηλεκτρασθενή κλίμακα έχουν αποθαρρυνθεί και από τους δύο επιταχυντές και από την άμεση ανίχνευση. Η ιδέα της σκοτεινής ύλης με WIMP, ωστόσο, ζει. Απλά πρέπει να θυμόμαστε ότι, όταν ακούτε το WIMP, συμπεριλαμβάνουμε σκοτεινή ύλη που είναι πολύ αδύναμη και πιο ασθενή από ό, τι ακόμη και οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις θα επιτρέψουν. Υπάρχει αναμφίβολα κάτι νέο στο σύμπαν, που περιμένει να ανακαλυφθεί.

 

Το θαύμα του WIMP έχει τελειώσει. Αλλά μπορούμε ακόμα να έχουμε το καλύτερο θαύμα όλων:  αν αυτά τα πειράματα εμφανίσουν κάτι πέρα ​​από ένα μηδενικό αποτέλεσμα. Ο μόνος τρόπος να το  γνωρίζουμε είναι να κοιτάξουμε πιο βαθειά.