Σκοτεινά φωτόνια και σκοτεινή ύλη. Connecting the visible universe with dark matter

Does the visible photon have a counterpart, a dark photon, that interacts with the components of dark matter? Illustration by Sandbox Studio, Chicago

Σύμφωνα με όσα γνωρίζουμε σήμερα, το Σύμπαν που παρατηρούμε γύρω μας (το ορατό Σύμπαν), αντιστοιχεί σε ένα 5% περίπου από ό,τι πιστεύουμε πως υπάρχει εκεί έξω, με το υπόλοιπο 95% να αντιστοιχεί στη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια οι οποίες αποκαλούνται σκοτεινές καθώς δε γνωρίζουμε τι είδους σωματίδια τις απαρτίζουν.

SOURCE: R. ESSIG, STONYBROOK UNIV.

Για τη μελέτη των «σκοτεινών» αυτών φαινομένων, και ειδικότερα της σκοτεινής ύλης, ορισμένοι επιστήμονες στρέφονται προς μία νέα κατεύθυνση και το σχεδιασμό ενός νέου πειράματος στο εργαστήριο Jefferson στις ΗΠΑ.

Jefferson Lab laser accelerator operators threaded an electron beam through a small tube the size of a coffee stirrer inside this apparatus to show that the DarkLight experiment was possible. DarkLight will search for dark photons, which are particles that interact with both dark matter and visible matter. Courtesy of: Jefferson Lab

Γνωρίζουμε πως το φως απαρτίζεται από φωτόνια, τα οποία αλληλεπιδρούν με την ορατή ύλη, αλλά δεν έχουν καμία αλληλεπίδραση με τη σκοτεινή ύλη. Υπάρχει όμως περίπτωση να υπάρχει ένα «σκοτεινό» αντίστοιχο του φωτονίου, το οποίο να αλληλεπιδρά με το σκοτεινό κόσμο; Την απάντηση στο παραπάνω ερώτημα θα προσπαθήσει να δώσει μια συνεργασία φυσικών, που ονομάζεται DarkLight.

In this particular hidden valley model, six particles are created, all indicated by color. The dark photons are shown in yellow. For the other particles, those indicated in light pink will be observed in the detector, while the ones marked with dark pink will escape entirely undetected. If observed, these darkinos might be the dark matter for which astronomers search.

«Ένα τέτοιο σωματίδιο προϋποθέτει την ύπαρξη σωματιδίων σκοτεινής ύλης τα οποία θα πρέπει μέσω κάποιου μηχανισμού να αλληλεπιδράσουν με τα συνηθισμένα σωματίδια», εξηγεί ο καθηγητής του ΜΙΤ Ρίτσαρντ Μίλνερ, εκπρόσωπος της συνεργασίας DarkLight. «Τα σκοτεινά φωτόνια που προτείνουμε κάνουν ακριβώς αυτό», καταλήγει.

Σύμφωνα με τη θεωρία που προτείνει η ομάδα DarkLight, το σκοτεινό φωτόνιο μοιάζει πολύ με το γνωστό μας φωτόνιο, όμως έχει μάζα, και γι’ αυτό πολλές φορές αποκαλείται και βαρύ φωτόνιο ή ακόμη και σωματίδιο Α’. Υπό συνθήκες, υποστηρίζουν οι φυσικοί σωματίδιο Α’ θα αλληλεπιδρά και με τη συνήθη ύλη, ενώ ο καθηγητής Μίλνερ τονίζει πως ίσως να έχουν ήδη υπάρξει ενδείξεις για την ύπαρξή του σε πειράματα σωματιδιακής φυσικής που έχουν γίνει στο παρελθόν.

Ένα από τα πειράματα αυτά είναι το πείραμα Muon g-2, το οποίο έλαβε χώρα το 2001 στο εργαστήριο Brookhaven στις ΗΠΑ, με σκοπό τη μέτρηση ορισμένων ιδιοτήτων μιας κατηγορίας σωματιδίων που ονομάζονται μιόνια. Το αποτέλεσμα του πειράματος δε συμφώνησε εντέλει με τη θεωρία. «Εάν είναι αληθινή, αυτή η ασυμφωνία θα μπορούσε να εξηγηθεί από ένα σκοτεινό φωτόνιο με τη μάζα και τα χαρακτηριστικά τα οποία ψάχνει η ομάδα DarkLight», λέει ο Μίλνερ, ο οποίος προσθέτει πως παρόμοια παράταιρα αποτελέσματα εξάγονται και σε έρευνες αστροφυσικής.

The Jefferson Lab’s Free-Electron Laser is a low-cost option in the bid to discover dark-sector forces. JEFFERSON LAB

Εάν τα βαριά φωτόνια αλληλεπιδρούν με την ύλη, είναι εφικτός και ο σχεδιασμός ενός ειδικού πειράματος για την ανίχνευσή τους. Σύμφωνα με τη DarkLight, τέτοια σωματίδια θα μπορούσαν να προκύψουν από δέσμες φορτισμένων σωματιδίων όπως τα ηλεκτρόνια. Έτσι κατέληξαν στο εργαστήριο Jefferson στη Βιρτζίνια των ΗΠΑ, το οποίο κατέχει το πιο ισχυρό λέιζερ ηλεκτρονίων στον κόσμο, με ισχύ ενός μεγαβάτ, το οποίο θα μπορούσε να αναδείξει για πρώτη φορά την παρουσία σκοτεινών φωτονίων στο Σύμπαν.

Η DarkLight προχώρησε στο λεπτομερή σχεδιασμό του πειράματος, το οποίο εγκρίθηκε και δοκιμάζεται ήδη από τον περασμένο Ιούλιο. Τα πρώτα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters, όμως για την ώρα αφορούν στη σωστή λειτουργία της πειραματικής διάταξης. Η ομάδα DarkLight επισημαίνει πως θα χρειαστεί ακόμη πολλή δουλειά προτού ολοκληρωθεί η κατασκευή των ανιχνευτών που θα παγιδεύσουν τα βαριά φωτόνια (εάν υπάρχουν) και τελειοποιηθεί ο σχεδιασμός του πειράματος.

Την ίδια ώρα, στο ίδιο εργαστήριο ετοιμάζονται ακόμη δύο πειράματα με ακριβώς τον ίδιο σκοπό, από διαφορετικές ομάδες, μετατρέποντας το εργαστήριο Jefferson το διεθνές επίκεντρο στην ανίχνευση των σωματιδίων Α.