Σκοτεινή Ύλη: Πώς βοηθά ο ατμός του καισίου στην έρευνα για τη σκοτεινή ύλη

Το κυνήγι για τη σκοτεινή ύλη είναι μια από τις πιο συναρπαστικές προκλήσεις που αντιμετωπίζει η βασική φυσική στον 21ο αιώνα. Οι ερευνητές από καιρό γνωρίζουν ότι πρέπει να υπάρχει, καθώς πολλές αστροφυσικές παρατηρήσεις θα είναι αδύνατο να εξηγηθούν αλλιώς. Για παράδειγμα, άστρα που περιστρέφονται πιο γρήγορα σε γαλαξίες από ότι θα έκαναν αν υπήρχε μόνο η «κανονική» ύλη.

Συνολικά, η ύλη που μπορούμε να δούμε αντιστοιχεί μόνο, το πολύ, στο 20% της ολικής μάζας του σύμπαντος – πράγμα που σημαίνει ότι ένα αξιοσημείωτο 80% είναι σκοτεινή ύλη. «Υπάρχει ένας ελέφαντας στο δωμάτιο αλλά απλά δεν μπορούμε να τον δούμε», ανέφερε ο καθηγητής Dmitry Budker, ερευνητής στο PRISMA+ Cluster of Excellence του Πανεπιστημίου Johannes Gutenberg του Mainz (JGU) και του Ινστιτούτου Helmholtz του Mainz (HIM), εξηγώντας το πρόβλημα που αντιμετωπίζουν αυτός και πολλοί συνάδελφοί του στον κόσμο.

Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να συνίσταται από εξαιρετικά ελαφρά σωμάτια

Όμως μέχρι τώρα κανένας δε γνωρίζει από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη. Οι επιστήμονες στο πεδίο αυτό σκέφτονται και ερευνούν μια ολόκληρη περιοχή πιθανών σωματίων που μπορεί να πληρούν τις προϋποθέσεις ως υποψήφια. Μεταξύ αυτών είναι εξαιρετικά ελαφρά μποζονικά σωμάτια, που σήμερα θεωρούνται ότι είναι μια από τις πιο πολύ υποσχόμενες επιλογές. «Αυτά μπορούν επίσης να θεωρηθούν ως ένα κλασικό πεδίο που ταλαντώνεται σε ορισμένη συχνότητα. Όμως δεν μπορούμε ακόμη να βάλουμε ένα νούμερο σε αυτό – και έτσι στη μάζα των σωματίων», εξήγησε ο Budker. «Η βασική μας υπόθεση είναι ότι αυτό το πεδίο σκοτεινής ύλης είναι συζευγμένο με την ορατή ύλη και έχει μια εξαιρετικά ανεπαίσθητη επίδραση σε ορισμένες ατομικές ιδιότητες που θα ήταν κανονικά σταθερές».

Ο Budker και η ομάδα του στο Mainz έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο την οποία περιγράφουν στο τρέχον (3 Οκτωβρίου 2019) τεύχος του κορυφαίου εξειδικευμένου περιοδικού Physical Reviews Letters. Χρησιμοποιεί ατομική φασματοσκοπία και περιλαμβάνει τη χρήση ατμού ατόμων καισίου. Μόνο στην έκθεση σε φως λέιζερ πολύ συγκεκριμένου μήκους κύματος τα άτομα αυτά διεγείρονται. Η υπόθεση είναι ότι οι παραμικρές αλλαγές στο αντίστοιχο παρατηρούμενο μήκος κύματος θα έδειχνε σύζευξη του ατμού καισίου με το πεδίο του σωματίου σκοτεινής ύλης.

«Κατ’ αρχήν, η εργασία μας βασίζεται σε ένα ιδιαίτερο θεωρητικό μοντέλο, την υπόθεση του οποίου ελέγχουμε πειραματικά», πρόσθεσε ο κύριος συγγραφέας της μελέτης, Δρ. Διονύσης Αντύπας. «Σε αυτή την περίπτωση, η υποκείμενη ιδέα της εργασίας μας είναι το μοντέλο του “χαλαρού” αξιόνιου (relaxion model) που αναπτύχθηκε από τους συναδέλφους μας στο Ινστιτούτο Weizmann στο Ισραήλ». Σύμφωνα με τη θεωρία του “χαλαρού” αξιόνιου, πρέπει να υπάρχει μια περιοχή κοντά σε μεγάλες μάζες όπως η Γη στην οποία η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης είναι μεγαλύτερη, κάνοντας το φαινόμενο της σύζευξης ευκολότερο να παρατηρηθεί και να ανιχνευθεί.

Ερευνήθηκε προηγουμένως απροσπέλαστη περιοχή συχνοτήτων

Με τη νέα τους τεχνική, οι επιστήμονες έχουν τώρα πρόσβαση σε ένα μέχρι τώρα ανεξερεύνητο εύρος συχνοτήτων στο οποίο, όπως εικάζεται στη θεωρία του “χαλαρού” αξιόνιου, τα αποτελέσματα ορισμένων μορφών σκοτεινής ύλης στις ατομικές ιδιότητες του καισίου θα πρέπει να είναι εύκολο να εντοπιστούν. Τα αποτελέσματα επίσης επιτρέπουν τους ερευνητές να διαμορφώσουν νέους περιορισμούς ως προς το τί είναι πιθανό να είναι η φύση της σκοτεινής ύλης. Ο Dmitry Budker παρομοιάζει αυτή την σχολαστική έρευνα με το κυνήγι μιας τίγρης σε έρημο. «Στο εύρος των συχνοτήτων που έχουμε εξερευνήσει στην τωρινή μας εργασία, δεν έχουμε ακόμη εντοπίσει σκοτεινή ύλη. Όμως τουλάχιστον, τώρα που έχουμε ερευνήσει σε αυτή την περιοχή, γνωρίζουμε ότι δεν πρέπει να το κάνουμε ξανά». Οι ερευνητές ακόμη δεν γνωρίζουν που παραμονεύει η σκοτεινή ύλη – η τίγρης στη μεταφορά – όμως τώρα γνωρίζουν που δεν είναι. «Απλά συνεχίζουμε να στοχεύουμε σε πιο προσεκτικά στο μέρος της ερήμου όπου η τίγρης είναι πιο πιθανό να βρίσκεται. Και, κάποια στιγμή, θα την πιάσουμε», υποστήριξε ο Budker με σιγουριά.
-------------------------
Σημείωση:
Το “χαλαρό” αξιόνιο (relaxion) αποτελεί μια μορφή αξιόνιου [ένα πεδίο σαν του αξιόνιου, που εισάγεται με συγκεκριμένο μηχανισμό (relaxion mechanism)] που προτάθηκε για να δικαιολογήσει την κοσμολογική χαλάρωση της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης. Το αξιόνιο (axion) είναι υποθετικό σωμάτιο που προτείνεται – και ερευνάται η ύπαρξή του – για να λύσει προβλήματα συμμετρίας που αφορούν την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Εισήχθη για να αιτιολογήσει τους χρωμοδυναμικούς μηχανισμούς της σκοτεινής ύλης.

Η έννοια της κοσμολογικής “χαλάρωσης” αναδύεται από τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα σε ένα άστρο S και τα άλλα άστρα ενός γαλαξία που δημιουργούν ένα είδος “διάχυσης” της ταχύτητας του S που είναι διακριτή από τη συνεχή μεταβολή της ταχύτητάς του που προκαλείται από τη γενική κατανομή μάζας του αστρικού συστήματος. Η διαδικασία αυτή πολλές φορές ονομάζεται “χαλάρωση” και είναι το σωρευτικό αποτέλεσμα του τεράστιου αριθμού αλληλεπιδράσεων ανάμεσα στο άστρο S και τα υπόλοιπα άστρα του γαλαξία.