Ένας υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη – το αξιόνιο – θα μπορούσε να εμφανίσει εικόνα χορδής στο εργαστήριο

Ένα υποθετικό σωμάτιο που θα μπορούσε να λύσει το μεγαλύτερο αίνιγμα στην κοσμολογία μόλις έγινε λιγότερο(;) μυστηριώδες. Ένας φυσικός του RIKEN και δυο συνάδελφοί του αποκάλυψαν τα μαθηματικά στηρίγματα που θα μπορούσαν να εξηγήσουν πώς τα αποκαλούμενα αξιόνια μπορούν να δημιουργήσουν οντότητες όμοιες με χορδές που δημιουργούν μια παράξενη διαφορά δυναμικού σε εργαστηριακά υλικά. Ας τα ξεκαθαρίσουμε σιγά-σιγά.

Πριν από όλα τα αξιόνια (axions, μια καλλιτεχνική απεικόνιση στην εικόνα). Οι υποθετικές (ακόμη) αυτές οντότητες προτάθηκαν για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1970 από φυσικούς που μελετούσαν τη θεωρία της κβαντικής χρωμοδυναμικής, η οποία περιγράφει πώς ορισμένα στοιχειώδη σωμάτια συγκρατούνται μαζί στον ατομικό πυρήνα. Το πρόβλημα ήταν ότι η θεωρία αυτή προέβλεπε ορισμένες παράξενες ιδιότητες για γνωστά σωμάτια, που όμως δεν παρατηρούνται. Τι έκαναν οι φυσικοί για να διορθώσουν το πρόβλημα; Επινόησαν ένα νέο σωμάτιο – που αργότερα ονομάστηκε αξιόνιο, από το όνομα ενός καθαριστικού πλυντηρίου σε χρωματιστό κουτί που τράβηξε το μάτι του Dr Frank Wilczek. Το πρότεινε, όπως έγραψε, και το όνομα κόλλησε. Η λογική της πρότασης ήταν ότι το (υποθετικό) σωμάτιο αυτό θα βοηθούσε στο να καθαρίσει το χάος της κατάστασης στη θεωρία.

Οι φυσικοί σύντομα συνειδητοποίησαν ότι τα αξιόνια θα μπορούσαν να καθαρίσουν και ένα κοσμικό αίνιγμα. Ποιο είναι αυτό; Περισσότερο από 80% της ύλης του σύμπαντος θεωρείται ότι συγκροτείται από μια μυστηριώδη αόρατη ουσία, τη σκοτεινή ύλη. «Τα αξιόνια είναι ένας υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη, αλλά δεν τα έχουμε βρει ακόμη», θα πει ο Yoshimasa Hidaka, του Διεπιστημονικού Προγράμματος Θεωρητικών και Μαθηματικών Επιστημών του RIKEN. Τα αξιόνια ίσως έχουν τις σωστές ιδιότητες και έτσι οι φυσικοί αναζητούν για σημάδια που εμφανίζονται σε διάφορα πειράματα. Σε ένα από αυτά, το πείραμα XENON1T, που έγινε τον Ιούνιο του 2020 στο Εργαστήριο του Gran Sasso, στην Ιταλία, αναφέρθηκαν στοιχεία ότι μπορεί να έχει ανιχνευτεί το αξιόνιο – όμως το αποτέλεσμα δεν έχει ακόμη να επιβεβαιωθεί. Έτσι προχωρά η Επιστήμη.

Για να προσεγγίσουμε την προσπάθεια των επιστημόνων του RIKEN, ας δούμε και ένα άλλο πεδίο όπου μπορούν να μελετηθούν οι ιδιότητες του αξιόνιου: Οι φυσικοί μπορούν να παρασκευάσουν εξωτικά υλικά – αποκαλούνται τοπολογικοί μονωτές – στο εργαστήριο, στα οποία εμφανίζονται παράξενες ιδιότητες, όπως ότι άγουν τον ηλεκτρισμό στις επιφάνειές τους ενώ παραμένουν ηλεκτρικοί μονωτές στο εσωτερικό τους. Τέτοια υλικά εμφανίζουν και άλλες περίεργες συμπεριφορές. Μερικές φορές, τα ηλεκτρόνια ομαδοποιούνται και κινούνται με έναν τέτοιο τρόπο που το υλικό εμφανίζεται να αποτελείται από «οιονεί σωμάτια» με ασυνήθιστες ιδιότητες. Αυτό μπορεί να δημιουργήσει μια μη αναμενόμενη διαφορά δυναμικού κατά μήκος του υλικού, που αποκαλείται ανώμαλο φαινόμενο Hall. Για το φαινόμενο Hall θα μιλήσουμε άλλη φορά.

Λοιπόν συνεχίζουμε: το αξιόνιο προβλέπεται επίσης ότι αναδύεται με αυτόν τον δρόμο, στους τοπολογικούς μονωτές, όπου θα πρέπει να αλληλεπιδρά με σωμάτια φωτός ή αλλιώς φωτόνια, με ένα διαφορετικό τρόπο από ότι τα κανονικά σωμάτια. Εδώ είναι που μπαίνουν στο παιχνίδι ο Hidaka και οι συνάδελφοί του (Muneto Nitta και Ryo Yokura), οι οποίοι εξέτασαν τη θεωρία που διέπει την αλληλεπίδραση μεταξύ αξιονίων και φωτονίων. Παρόλο που τα αξιόνια είναι σημειακά σωμάτια, η ομάδα των επιστημόνων υπολόγισε ότι μέσα στα υλικά, το φως στην πραγματικότητα αλληλεπιδρά με εκτεταμένες σαν νήμα διαμορφώσεις από αξιόνια, που αποκαλούν αξιονικές χορδές (axionic strings). Αυτό θα οδηγούσε στο ανώμαλο φαινόμενο Hall, το οποίο παρατηρείται στα πειράματα.

«Έχουμε βρει την υποκείμενη μαθηματική δομή για το φαινόμενο», θα σημειώσει ο Hidaka.