Οι πρώτες ενδείξεις για τη σκοτεινή ύλη; Cosmic footprint discovered may be first evidence of dark matter

The flux of high-energy particles near Earth (cosmic rays) can come from many sources. “Primary” particles (green) come from the original cosmic-ray source (typically, a supernova remnant). “Secondaries” (yellow) come from these particles colliding with interstellar gas and producing pions and muons, which decay into electrons and positrons. A third, interesting possibility is that electrons and positrons (purple) are created by the annihilation of dark matter particles, denoted by χ˜ in the figure, in the Milky Way and its halo. Note that for illustrative purposes the background image used here is of Andromeda, a typical spiral galaxy, roughly similar to ours. Image: GALEX, JPL-Caltech, NASA; Drawing: APS/Alan Stonebraker

Οι πρώτες σαφείς ενδείξεις – αλλά όχι απτές αποδείξεις – για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, της υποθετικής αλλά ως τώρα αόρατης μορφής ύλης που φαίνεται να αντιστοιχεί στο μεγαλύτερο μέρος της μάζας του Σύμπαντος, παρουσιάστηκαν από διεθνή ομάδα επιστημόνων.

The AMS - a kind of particle accelerator and nicknamed the 'space LHC' in reference to the Large Hadron Collider here on Earth. The first results from the instrument have found a 'glimpse' of what could be dark matter, the building blocks of the universe.

Τα στοιχεία έρχονται από το Άλφα Μαγνητικό Φασματόμετρο (Alpha Magnetic Spectrometer – AMS), το «σούπερ» όργανο που έχει εγκατασταθεί στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό με αποστολή την ανίχνευση της κοσμικής ακτινοβολίας για τον εντοπισμό «εξωτικών» μορφών ύλης.

Πολυαναμενόμενα αποτελέσματα

Η σκοτεινή ύλη υπολογίζεται ότι αντιστοιχεί στο 86% της μάζας του Σύμπαντος, ως τώρα όμως παραμένει ασύλληπτη από τους επιστήμονες.

Όπως είχε προαναγγελθεί τον περασμένο Φεβρουάριο, τα πρώτα και πολυαναμενόμενα αποτελέσματα του AMS – το οποίο έχει αποκτήσει επίσης το παρατσούκλι «ο LHC του Διαστήματος» – ανακοινώθηκαν τελικά από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στη Γενεύη.

Η σχετική μελέτη, η οποία θα δημοσιευθεί στην επιθεώρηση  «Physical Review Letters», αναφέρει ότι το φασματόμετρο ανίχνευσε στην κοσμική ακτινοβολία εκατομμύρια ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια (τα αντισωμάτια των ηλεκτρονίων) σε μια αναλογία ύλης-αντιύλης η οποία φαίνεται να προκύπτει από τη σύγκρουση – ή εξουδετέρωση – των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης, υποδηλώνοντας για πρώτη φορά την ύπαρξή της.

O Samuel Ting παρουσιάζει στο CERN τα πρόσφατα αποτελέσματα του AMS (Alpha Magnetic Sectrometer).

«Πρόκειται για μια ένδειξη, αλλά σε καμία περίπτωση δεν πρόκειται για απόδειξη» τόνισε ο νομπελίστας φυσικός Σάμιουελ Τινγκ, «πατέρας» του AMS και εκπρόσωπος του πειράματος, ο οποίος έκανε τη σχετική ανακοίνωση σε σεμινάριο που πραγματοποιήθηκε στην έδρα του CERN. Αν και τίποτε ως τώρα δεν είναι απολύτως βέβαιο, η ανακάλυψη θεωρείται σημαντική καθώς, σε περίπτωση που επιβεβαιωθεί, θα αποτελεί την πρώτη «ματιά» των επιστημόνων σε αυτή την ως τώρα ασύλληπτη μορφή ύλης.

Η μεγαλύτερη καταγραφή

Inside the Alpha Magnetic Spectrometer, also designated AMS-02. It is a particle physics experiment module that is mounted on the International Space Station. It is designed to search for various types of unusual matter by measuring cosmic rays.

Σύμφωνα με τη θεωρία, αν η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη υπάρχει, τα σωματίδιά της συγκρούονται μεταξύ τους καθώς συναντιούνται στο Διάστημα και αλληλοεξουδετερώνονται. Αν αυτό ισχύει, τότε θα πρέπει να διασπώνται σε ίσο αριθμό ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων, γεγονός το οποίο θα πρέπει να οδηγεί σε αύξηση του συνολικού αριθμού των ποζιτρονίων της κοσμικής ακτινοβολίας σε σχέση με τα ηλεκτρόνια.

Η αναλογία ποζιτρονίων που καταγράφηκε από το AMS βρίσκεται σύμφωνα με τους ερευνητές σε απόλυτη συμφωνία με τη θεωρία για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.

Τα αποτελέσματα που ανακοινώθηκαν βασίζονται στην καταγραφή από το AMS περίπου 25 δισ. «γεγονότων» μέσα σε ενάμιση χρόνο, εκ των οποίων τα 6,8 εκατομμύρια αντιστοιχούν σε ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται 400.000 ποζιτρόνια με ενέργειες από 0,5 ως 350 γιγαηλεκτρονιοβόλτ (GeV) – ο μεγαλύτερος αριθμός σωματιδίων αντιύλης που έχει καταγραφεί ποτέ στο Διάστημα.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η αναλογία ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων αυξάνεται ελαφρά στις ενέργειες από 10-250 GeV, ενώ η αύξηση αυτή μειώνεται κατά μια τάξη μεγέθους στις ενέργειες επάνω από 20-250 GeV. Παράλληλα δεν παρατήρησαν κάποια σημαντική μεταβολή με τον χρόνο ενώ είδαν ότι τα σωματίδια δεν φαίνονται να έρχονται από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση (όπως θα συνέβαινε αν προέρχονταν από μια μεμονωμένη πηγή, όπως π.χ. κάποιο πάλσαρ).

Σύγκριση των αποτελεσμάτων του AMS με προηγούμενα πειράματα. Μπορεί να μην αποδεικνύεται  κάτι συνταρακτικό (ύπαρξη σκοτεινής ύλης), όμως το πιο σημαντικό πράγμα που μάθαμε σήμερα είναι ότι το AMS λειτουργεί πολύ καλά και ότι ξεπερνά σε ακρίβεια όλα τα προηγούμενα πειράματα. This chart compares the results from AMS on positron emissions with results from other experiments. AMS measurements at different energy levels are represented by the red dots with error bars.

Όλα τα παραπάνω στοιχεία υποδηλώνουν, όπως τονίζουν οι επιστήμονες, ότι τα ποζιτρόνια που καταγράφηκαν προέρχονται από την εξουδετέρωση της σκοτεινής ύλης. Οι ενδείξεις ωστόσο δεν είναι ακόμη αρκετά σαφείς ώστε να επιτρέπουν να αποκλειστούν άλλες ερμηνείες. Για κάτι τέτοιο θα χρειαστούν περαιτέρω μελέτες, οι ειδικοί όμως είναι αισιόδοξοι ότι σύντομα θα υπάρξουν κάποιες απαντήσεις.

«Με την ακριβέστερη μέτρηση ροής ποζιτρονίων στην κοσμική ακτινοβολία που έχει γίνει ως σήμερα, τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ξεκάθαρα την ισχύ και τις ικανότητες του ανιχνευτή του AMS» υπογράμμισε ο κ. Τινγκ. «Στους επόμενους μήνες το AMS θα μπορέσει να μας δώσει οριστικές απαντήσεις για το αν αυτά τα ποζιτρόνια αποτελούν σήμα της σκοτεινής ύλης ή αν προέρχονται από κάποια άλλη πηγή».