Μια ομάδα φυσικών στο Εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας λένε ότι έχουν κάνει την πρώτη ανίχνευση ενός ηλιακού αξιόνιου, ένα ως τώρα μη επιβεβαιωμένο – υποθετικό σωματίδιο που είναι υποψήφιο σωματίδιο της σκοτεινής ύλης. Αυτό είναι έξω από το Πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων, το οποίο περιγράφει τη συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων. Οι θεωρητικοί φυσικοί πρότειναν για πρώτη φορά την ύπαρξη αξιονίων στη δεκαετία του 1970 για να επιλύσουν προβλήματα στα μαθηματικά που διέπουν την ισχυρή δύναμη, η οποία συνδέει τα κουάρκ. Ωστόσο, τα αξιόνια έχουν γίνει από τότε μια δημοφιλής εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη, τη μυστηριώδη ουσία που αποτελεί το 85% της μάζας του σύμπαντος, αλλά δεν εκπέμπει καμιά ακτινοβολία.
Εάν επιβεβαιωθεί, δεν είναι ακόμη βέβαιο εάν αυτά τα αξιόνια θα διορθώσουν, στην πραγματικότητα, τις ασυμμετρίες με την ισχυρή δύναμη. Και δεν θα εξηγούσαν το μεγαλύτερο μέρος της μάζας που λείπει στο σύμπαν, δήλωσε ο Kai Martens, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο που εργάστηκε για το πείραμα. Αυτά τα αξιόνια, που φαίνεται να ρέουν έξω από τον ήλιο, δεν ενεργούν σαν την «ψυχρή σκοτεινή ύλη» που οι φυσικοί πιστεύουν ότι πληρούν τα φωτοστέφανα (άλω) γύρω από τους γαλαξίες. Και ότι θα ήταν σωματίδια που δημιουργήθηκαν πρόσφατα μέσα στον ήλιο, ενώ το μεγαλύτερο μέρος της ψυχρής σκοτεινής ύλης εκεί έξω φαίνεται να ήταν αμετάβλητο για δισεκατομμύρια χρόνια από την αρχή του σύμπαντος.
Και δεν είναι βέβαιο ότι ανιχνεύθηκαν καθόλου αξιόνια. Παρά τα δύο χρόνια συλλογής δεδομένων, η υπόδειξη ενός σήματος είναι ακόμα αχνή σε σύγκριση με αυτό που απαιτεί η φυσική για να ανακοινώσει την ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου. Με την πάροδο του χρόνου, καθώς εισέρχονται περισσότερα δεδομένα, είπε ο Martens, είναι ακόμα πιθανό ότι η απόδειξη ενός σήματος μπορεί να μην σημαίνει τίποτα.
Ωστόσο, σίγουρα φαίνεται ότι υπήρχε σήμα. Εμφανίστηκε σε μια σκοτεινή υπόγεια δεξαμενή 3,5 τόνων υγρού ξένου – το πείραμα XENON1T που βασίστηκε στο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso στην Ιταλία. Τουλάχιστον δύο άλλες φυσικά φαινόμενα θα μπορούσαν να εξηγήσουν τα δεδομένα αυτά του XENON1T. Ωστόσο, οι ερευνητές δοκίμασαν διάφορες θεωρίες και διαπίστωσαν ότι τα αξιόνια που ρέουν από τον ήλιο μας ήταν η πιο πιθανή εξήγηση για τα αποτελέσματά τους.
Η συνεργασία XENON παρακολουθεί μικροσκοπικές λάμψεις φωτός σε σκοτεινά, μονωμένα δοχεία με το ευγενές αέριο ξένον – από τα οποία το XENON1T, που λειτουργεί από το 2016 έως το 2018, είναι το μεγαλύτερο.
Προστατευμένο υπόγεια από τις περισσότερες πηγές ακτινοβολίας, μόνο λίγα σωματίδια (συμπεριλαμβανομένης της σκοτεινής ύλης) θα μπορούσαν να εισέλθουν στη δεξαμενή και να συγκρουστούν με τα άτομα στο υγρό μέσα, διεγείροντας αυτές τις αναλαμπές. Οι περισσότερες από αυτές τις αναλαμπές είναι εύκολο να εξηγηθούν, θα είναι τα αποτελέσματα των αλληλεπιδράσεων με σωματίδια που ήδη γνωρίζουν οι φυσικοί. Παρά την υπόγεια θωράκιση του εργαστηρίου, όλα τα είδη σωματιδίων φτάνουν εκεί και αντιπροσωπεύουν τα περισσότερα από αυτά που βλέπουν οι ανιχνευτές XENON. Οι ερευνητές του XENON αναζητούν μια “υπερβολική” λάμψη, περισσότερες αναλαμπές από ό, τι θα περίμενε κανείς βάσει της γνωστής φυσικής των σωματιδίων, που μπορεί να υποδηλώνουν την ύπαρξη νέων σωματιδίων.
Αυτή όμως είναι η πρώτη φορά που ένας ανιχνευτής XENON εντόπισε πραγματικά μια περίσσεια, μια αύξηση της δραστηριότητας σε ένα εύρος χαμηλής ενέργειας που ταιριάζει με αυτό που θα περίμεναν οι φυσικοί εάν υπάρχουν ηλιακά αξιόνια.
Μέχρι τώρα, τα αποτελέσματα της συνεργασίας XENON απέκλεισαν εν μέρει έναν άλλο τύπο υποψήφιου σκοτεινής ύλης, τα «ασθενώς αλληλεπιδρώντας βαριά σωματίδια» (WIMPS). Δεν εντόπισε βέβαια αρκετές αναλαμπές στα επίπεδα ενέργειας που θα παράγουν τα περισσότερα WIMP για να υποστηρίξουν την ύπαρξή τους, αποκλείοντας αποτελεσματικά τις περισσότερες πιθανές ποικιλίες των WIMP. Αλλά τα πειράματα δεν έχουν βρει στοιχεία για νέα σωματίδια στο παρελθόν.
«Παρόλο που το WIMP υπήρξε το κυρίαρχο παράδειγμα της Σκοτεινής Ύλης για πολλά χρόνια, το αξιόνιο υπήρχε και αυτό στο προσκήνιο τόσο καιρό, και τα τελευταία χρόνια παρατηρήθηκε μια αύξηση στα πειράματα που αναζητούν αξιόνια», δήλωσε ο Tien-Tien Yu, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον, που επίσης δεν συμμετείχε στο πείραμα XENON.
Έτσι, εάν επιβεβαιωθεί, η ανίχνευση αξιονίων αυτό ταιριάζει με τις πρόσφατες εξελίξεις στην έρευνα σκοτεινής ύλης (συμπεριλαμβανομένων παλαιότερων δεδομένων XENON) που έχουν κάνει τα κάποτε δημοφιλή WIMPs να ξεθωριάζουν.
Ωστόσο, ο Yu είπε ότι αυτό το σήμα δεν είναι πειστικό από μόνο του.
«Θα ήταν συναρπαστικό αν ήταν αλήθεια, αλλά είμαι δύσπιστος καθώς θα μπορούσε να υπάρξει κάποια προηγουμένως ανεξερεύνητη πηγή” είπε. (Είναι επίσης δύσκολο να αξιολογήσουμε τα δεδομένα χωρίς να τα δούμε, πρόσθεσε.)
Για παράδειγμα, κάποια ραδιενεργή πηγή μπορεί να έχει αφήσει τους αισθητήρες XENON1T με τρόπους που μιμούνται τα αναμενόμενα μοτίβα των ηλιακών αξιονίων που αλληλεπιδρούν με το υγρό ξένον.
Ο Γιου επεσήμανε ότι υπήρξαν μη επιβεβαιωμένοι ισχυρισμοί για ανακαλύψεις σωματιδίων σκοτεινής ύλης. Και τα «ηλιακά αξιόνια» που μπορεί να βρήκε το πείραμα XENON δεν φαίνεται να αντιπροσωπεύουν την αληθινή ψυχρή σκοτεινή ύλη (η οποία θα προήλθε από το πρώιμο σύμπαν και θα ήταν «ψυχρή»), αλλά μάλλον θερμά αξιόνια που παράγονται στον ήλιο μας.
Ο Martens είπε ότι αυτό ήταν αλήθεια, αλλά ότι τα ηλιακά αξιόνια δεν θα εξηγούσαν αυτό το τεράστιο όγκο της μάζας που λείπει.
Η ίδια η συνεργασία του XENON πρότεινε τρεις πιθανές εξηγήσεις για το αποτέλεσμα, τις οποίες χαρακτήρισε ως «περίσσεια» γεγονότων με χαμηλές ενέργειες εντός των δεξαμενών.
Η καλύτερη εφαρμογή για την περίσσεια που είδαν είναι πράγματι τα ηλιακά αξιόνια. Εξέφρασαν μάλιστα οι φυσικοί την εμπιστοσύνη «3,5 σίγμα» σε αυτήν την υπόθεση.
Αυτό σημαίνει, είπε ο Martens, ότι υπάρχουν περίπου 2 στις 10.000 πιθανότητες ότι η τυχαία ακτινοβολία υποβάθρου παρήγαγε το σήμα σε αντίθεση με τα ίδια τα ηλιακά αξιόνια. Συνήθως, οι φυσικοί ανακοινώνουν μια «ανακάλυψη» ενός νέου σωματιδίου μόνο εάν τα αποτελέσματα φτάσουν στη τιμή του 5 σίγμα σ, που σημαίνει μια πιθανότητα 1 στα 3,5 εκατομμύρια ότι το σήμα παράγεται από τυχαίες διακυμάνσεις.
Οι άλλες δυνατότητες που θεώρησαν ήταν λιγότερο πειστικές, αλλά αξίζει να ληφθούν σοβαρά υπόψη.
Ίσως να υπήρχαν μη ανιχνευμένα ίχνη ραδιενεργού τριτίου (έκδοση υδρογόνου με δύο νετρόνια ) στο XENON1T, προκαλώντας τη λάμψη του περιβάλλοντος υγρού. Η ομάδα του XENON εργάστηκε σκληρά για να αποφύγει τέτοιου είδους θόρυβο από την αρχή, είπε ο Martens. Ωστόσο, είπε, τα μικροσκοπικά επίπεδα τριτίου εδώ θα ήταν αδύνατο να διαχωριστούν τέλεια.
Η υπόθεση του στην ραδιενεργού τριτίου ταιριάζει στα δεδομένα σε επίπεδο εμπιστοσύνης 3,2 σίγμα. Ο Joey Neilsen, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Villanova της Πενσυλβανίας, ο οποίος δεν ασχολείται με το XENON, δήλωσε ότι αντιστοιχεί σε περίπου 1 στις 700 πιθανότητες ότι οι τυχαίες διακυμάνσεις θα παρήγαγαν αυτό το σήμα.
Είναι επίσης πιθανό να ήταν νετρίνα – τα αχνά, γνωστά σωματίδια από τον ήλιο που ρέουν επίσης μέσω της Γης– που αλληλεπιδρούν πιο έντονα με μαγνητικά πεδία από το αναμενόμενο. Εάν αυτό είναι αλήθεια, σύμφωνα με δήλωση της συνεργασίας XENON, τα νετρίνα θα μπορούσαν να εξηγήσουν το σήμα που βλέπουν. Αυτή η υπόθεση έρχεται επίσης με ένα επίπεδο εμπιστοσύνης 3,2 σίγμα, έγραψαν.
Αλλά ακόμα κι αν τα νετρίνα εξηγούν το αποτέλεσμα του XENON, το πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων θα πρέπει να αναδιαταχθεί για να εξηγήσει την απροσδόκητη συμπεριφορά των νετρίνων, επεσήμανε ο Yu.
Μια ενδεικτική ένδειξη θα έδειχνε εάν η υπόθεση των ηλιακών αξόνων πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη: εποχιακές αλλαγές στα δεδομένα, είπε
«Εάν το σήμα ήταν πράγματι από ηλιακά αξιόνια, θα περίμενε κανείς μια διαμόρφωση – μεταβολή στο σήμα λόγω της σχετικής θέσης του ήλιου στη Γη», είπε ο Yu.
Καθώς ο πλανήτης μας αλλάζει θέση γύρω από τον Ήλιο, η ροή των ηλιακών αξιονίων θα εξασθενίσει αν η Γη είναι μακριά. Καθώς η Γη πλησιάζει στον ήλιο, είπε ο Γιου, το σήμα θα πρέπει να γίνει ισχυρότερο.
Ο Martens είπε ότι δεν υπάρχει εποχική παραλλαγή στο σήμα XENON1T. Το σήμα είναι πολύ αχνό και το πείραμα έτρεξε πολύ σύντομα σε μόλις δύο χρόνια, για να το πάρει το XENON1T.
Οι φυσικοί θα αντιμετωπίσουν πιθανώς τα αποτελέσματα XENON1T ως προκαταρκτικά για το εγγύς μέλλον. Ένα επερχόμενο, μεγαλύτερο πείραμα XENON που ονομάζεται XENONnt, που βρίσκεται ακόμη υπό κατασκευή στην Ιταλία, θα πρέπει να προσφέρει σαφέστερα στατιστικά στοιχεία μόλις ολοκληρωθεί, ανέφερε η ομάδα. Περαιτέρω πειράματα που είναι σε εξέλιξη ή υπό κατασκευή στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Κίνα θα προσθέσουν πολλά στα υπάρχοντα δεδομένα.
