Μια νέα στρατηγική για την άμεση ανίχνευση ελαφρού σωμάτιου σκοτεινής ύλης

Για σχεδόν ένα αιώνα, οι αστρονόμοι υπέθεταν ότι το σύμπαν περιέχει περισσότερη ύλη από ότι μπορεί να παρατηρηθεί από το ανθρώπινο μάτι. Τώρα θεωρείται ότι κατά προσέγγιση το 80% της μάζας του σύμπαντος αποτελείται από έναν τύπο ύλης, ο οποίος δεν εκπέμπει φως ή ενέργεια και δεν μπορεί ακόμη να παρατηρηθεί άμεσα από τους επιστήμονες, που αναφέρεται ως σκοτεινή ύλη. Ενώ υπάρχουν αμέτρητες πλέον μελέτες και θεωρίες σχετικά με τη σκοτεινή ύλη, δεν υπάρχει ακόμη πειραματική απόδειξη που να στηρίζει την ύπαρξή της. Πολλοί φυσικοί έχουν προσπαθήσει να επινοήσουν μεθόδους για να ανιχνεύσουν τη σκοτεινή ύλη στο σύμπαν, ωστόσο όλες μέχρι τώρα έχουν αποτύχει.

Κατά τη διάρκεια των λίγων προηγούμενων δεκαετιών, οι ερευνητές άρχισαν να αναζητούν με ποιο τρόπο θα μπορούσε πιθανά να ανιχνευθεί η σκοτεινή ύλη, ιδιαίτερα θεωρώντας ότι συνίσταται από σωμάτια που είναι πολύ ελαφρύτερα από ότι τα πρωτόνια. Ένα μοντέλο που έχει κερδίσει σημαντική προσοχή είναι αυτό που θεωρεί τη σκοτεινή ύλη ως ένα σωμάτιο το οποίο έχει πολύ μικρό φορτίο στο πλαίσιο του κανονικού ηλεκτρομαγνητισμού. Εμπνεόμενοι από αυτό το μοντέλο, ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC στην Καλιφόρνια έχουν πρόσφατα σχεδιάσει μια νέα στρατηγική με την οποία θα μπορούσε να ανιχνευθεί άμεσα ένα ελαφρύ σωμάτιο της σκοτεινής ύλης που έχει ευρέος φάσματος αλληλεπιδράσεις με την συνηθισμένη ύλη.

Η προτεινόμενη στρατηγική, η οποία παρουσιάστηκε σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, απαιτεί παραμορφώσεις της τοπικής ροής της σκοτεινής ύλης με χρονικά μεταβαλλόμενα πεδία και τη μέτρηση αυτών των στρεβλώσεων με χρήση θωρακισμένων ανιχνευτών συντονισμού.

«Μέχρι τώρα, οι περισσότερες ιδέες για το πώς να ανιχνευθούν σωμάτια σκοτεινής ύλης έχουν στηριχθεί στην προσπάθεια να ανιχνευθούν μικρές αποθέσεις ενέργειας από σκοτεινή ύλη που σκεδάζεται σε έναν πολύ ευαίσθητο ανιχνευτή», αναφέρθηκε από τον Asher Berlin, έναν από τους ερευνητές που συμμετείχαν στη μελέτη. «Οι συνεργάτες μου και εγώ συνειδητοποιήσαμε πρόσφατα ότι υπάρχει ένας εναλλακτικός μηχανισμός ανίχνευσης: Αντί να περιμένεις για τη σκοτεινή ύλη να αποθέτει κάποιο μικρό ποσό ενέργειας σε έναν ανιχνευτή μέσω σκεδασμού, είναι δυνατό να διαχειριστείς άμεσα τις τροχιές των ξεχωριστών σωματίων σκοτεινής ύλης, δημιουργώντας διαταραχές που μπορούν στη συνέχεια να μετρηθούν με πολύ ευαίσθητους ανιχνευτές συντονισμού, παρόμοιους με τα καθημερινά ραδιόφωνα».

Σε αντίθεση με τις περισσότερες στρατηγικές ανίχνευσης της σκοτεινής ύλης που εισήχθησαν σε προηγούμενες μελέτες, η νέα στρατηγική που προτάθηκε από τον Berlin και τους συναδέλφους του έχει το πλεονέκτημα του «συλλογικού» αποτελέσματος που πολλά μεμονωμένα σωμάτια σκοτεινής ύλης θα μπορούσαν να παραγάγουν, μάλλον, παρά στο αποτέλεσμα που μπορεί να παράγεται από ένα απλό σωμάτιο σκοτεινής ύλης. Ως προς το αποτέλεσμα, η προτεινόμενη μέθοδος ανίχνευσής πλεονεκτεί από τη μικρή μάζα/ορμή της ελαφριάς σκοτεινής ύλης, ιδιαίτερα αν συγκριθεί με τεχνικές που προσπαθούν να μετρήσουν τη σκοτεινή ύλη που σκεδάζεται σε έναν ανιχνευτή, που τυπικά είναι μακράν περισσότερο δύσκολες αν τα σωμάτια της σκοτεινής ύλης είναι πολύ ελαφρά.

Στη μελέτη τους ο Berlin και οι συνεργάτες του, θεωρητικά, εφάρμοσαν το νέο τους σχήμα ανίχνευσης που σχεδίασαν, για υπο-MeV σωμάτια σκοτεινής ύλης με πολύ μικρά ηλεκτρικά φορτία ή σωμάτια που είναι συζευγμένα με έναν ελαφρύ ενδιάμεσο φορέα. Η ανάλυσή τους υποστηρίζει ότι η προσέγγισή τους μπορεί να ανιχνεύσει μάζες σκοτεινής ύλης στην περιοχή μεταξύ 10 MeV και κάτω ενός meV, δυνητικά φθάνοντας έτσι πέρα από αυτό που οι προηγούμενες θεωρίες και οι προσπάθειες έχουν καταφέρει.

Αν και η στρατηγική που επινοήθηκε από τους ερευνητές μοιάζει να υπόσχεται κάτι, είναι ακόμη μόνο θεωρητική. Στα προσεχή χρόνια, ωστόσο, η εργασία τους θα μπορούσε να συμβάλει στην ανάπτυξη νέων εργαλείων για την ανίχνευση σωματίων σκοτεινής ύλης, τα οποία τελικά θα βοηθήσουν να προσδιοριστεί η εγκυρότητα και οι πιθανοί περιορισμοί της προσέγγισής τους.