Ψάχνοντας για σκοτεινά φωτόνια με το πείραμα HADES, HADES searches for dark matter: Astrophysicists cross 'Dark Photon' off the list in top position

To πείραμα HADES (High-Acceptance Di-Electron Spectrometer) στο Darmstadt στη Γερμανία ψάχνει για σκοτεινά φωτόνια ή αλλιώς μποζόνια U. HADES at the GSI in Darmstadt/Germany searches for Dark Matter candidates. Credit: 3D Rendering by A. Schmah/HADES

Σε μία πρόσφατη επιστημονική μελέτη που δημοσιεύεται στο περιοδικό Physics Letters B, παρουσιάζονται τα τελευταία δεδομένα από το πείραμα HADES που μελετά την πιθανή φύση της σκοτεινής ύλης και στο οποίο συμμετέχουν 18 ευρωπαϊκά ερευνητικά ιδρύματα.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα υποτιθέμενα σωματίδια U ή αλλιώς τα σκοτεινά φωτόνια δεν συγκεντρώνουν πολλές πιθανότητες για να αποτελέσουν τους βασικούς φορείς της σκοτεινής ύλης.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) είναι η καλύτερη θεωρία που έχουν αυτή τη στιγμή οι φυσικοί για να περιγράψουν τα βασικά συστατικά του σύμπαντος. Είναι ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της επιστήμης του εικοστού αιώνα. Τα πάντα γύρω μας, λέει η θεωρία αυτή, είναι φτιαγμένα από σωματίδια - τα κουάρκ και τα λεπτόνια - ενώ τέσσερις δυνάμεις να επιδρούν σ' αυτά. Είμαστε πιο εξοικειωμένοι με τον ηλεκτρομαγνητισμό και τη βαρύτητα. Οι άλλες δύο δυνάμεις δεν είναι τόσο γνωστές. Η Ισχυρή Πυρηνική δύναμη συγκροτεί τον ατομικό πυρήνα, καθιστώντας τον σταθερό. Χωρίς αυτή δεν θα υπήρχαν άλλα άτομα εκτός από του υδρογόνου. Χωρίς άνθρακα, χωρίς οξυγόνο, χωρίς ζωή. Η Ασθενής Πυρηνική δύναμη δημιουργεί τις πυρηνικές αντιδράσεις που επιτρέπουν στον ήλιο να λάμπει για δισεκατομμύρια χρόνια. Ως αποτέλεσμα, τρισεκατομμύρια νετρίνα έρχονται από τον ήλιο και περνούν μέσα απ' το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο, αλλά δεν τα νοιώθουμε γιατί η Ασθενής αλληλεπίδραση είναι πολύ αδύναμη. Παρόλη την απίστευτή επιτυχία του, το Καθιερωμένο Πρότυπο έχει σοβαρές ελλείψεις. Για παράδειγμα, αν τα μόνα συστατικά του σύμπαντος είναι οι Δυνάμεις και τα σωματίδια, τότε όλα τα σωματίδια θα πρέπει να ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, αντίθετα με ό,τι παρατηρείται. Για να τα επιβραδύνουν, οι θεωρητικοί φυσικοί υποθέτουν την ύπαρξη ενός μυστηριώδους, πανταχού παρόντος και άγνωστου μέχρι σήμερα «υγρού», το Πεδίο Higgs. Επίσης, οι φυσικοί τώρα αντιλαμβάνονται ότι το 96% του σύμπαντος δεν είναι φτιαγμένο από τη συνηθισμένη ύλη και επομένως αυτή η νέα μορφή ύλης δε χωράει στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Πώς θα αναβαθμιστεί το Καθιερωμένο Πρότυπο για να απαντήσει σ' αυτά τα μυστήρια είναι ένα ανοικτό πρόβλημα, που αναμένεται να απαντηθεί από σύγχρονα και μελλοντικά πειράματα. Hitoshi Murayama, University of California Berkeley and Lawrence Berkeley National Laboratory. Μετάφραση: Άρης Χατζηχρήστος

Η γνώση που έχουμε σήμερα για τη σύνθεση του Σύμπαντος είναι πως μόνο το 5% αποτελείται από τη συνηθισμένη ύλη και ενέργεια που παρατηρούμε γύρω μας και περιγράφεται μέσω του Καθιερωμένου Προτύπου, της επικρατούσας θεωρίας μας για τη φύση. Το υπόλοιπο 20% αντιστοιχεί στη σκοτεινή ύλη, μία άγνωστη μορφή ύλης της οποίας την ύπαρξη εικάζουμε εξαιτίας της βαρυτικής επίδρασης που ασκεί στη γνωστή ύλη, ενώ το υπόλοιπο 75% αποτελεί η σκοτεινή ενέργεια, η μυστηριώδης δύναμη που προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος.

Η φύση του σκοτεινού 95% του Σύμπαντος αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα σύγχρονα επιστημονικά μυστήρια με πλήθος από πειράματα να λαμβάνουν χώρα, τόσο στη Γη όσο και στο διάστημα, με σκοπό την ανακάλυψη των «σκοτεινών» σωματιδίων και την επέκταση της φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.

Ένα από τα πειράματα αυτά είναι και το HADES (High-Acceptance Di-Electron Spectrometer), μία συνεργασία εκατοντάδων φυσικών από την Ευρώπη που στεγάζεται στο κέντρο Helmholtz στο Ντάρμστατ της Γερμανίας.

To HADES αποτελεί ένα σύστημα ανιχνευτών που ερευνούν για σήματα από τη δημιουργία φωτονίων καθώς συμπιέζονται ζεύγη από αντισωματίδια. Fig. 1b: side view of HADES. Recent results of HADES experiments have shown, that the dark photon or U boson is no longer a top candidate to explain the nature of dark matter. Researchers are now searching for the constituents of dark matter at HADES, the High-Acceptance Di-Electron Spectrometer. These negative results -- recently published in Physics Letters B -- could even lead to challenges of the standard model of particle physics.

To HADES αποτελεί ένα σύστημα ανιχνευτών που ερευνούν για σήματα από τη δημιουργία φωτονίων καθώς συμπιέζονται ζεύγη από αντισωματίδια. Τα τελευταία χρόνια έχει αναλύσει δεκάδες δισεκατομμύρια τέτοια συμβάντα, ερευνώντας μεταξύ άλλων και για ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται μποζόνιο U.

Το συγκεκριμένο σωματίδιο έχει παρόμοιες ιδιότητες με το φωτόνιο με τη διαφορά όμως πως έχει και μία μικρή μάζα. Η μάζα αυτή είναι και ο λόγος που το κάνει να φαίνεται σκοτεινό, καθώς καθιστά πολύ αμυδρή την αλληλεπίδρασή του με την ύλη.

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.

Το σκοτεινό φωτόνιο μπορεί να διασπαστεί σε ένα ζεύγος από αντισωματίδια, όπως και τα φωτόνια και είναι αυτή ακριβώς η αντίδραση που προσπαθούν να ανακαλύψουν στο HADES.

Μέχρι σήμερα όμως, κάθε τέτοια προσπάθεια έχει αποτύχει υποδεικνύοντας άλλες κατευθύνσεις για την πιθανή φύση της σκοτεινής ύλης.

Η συγκεκριμένη διαπίστωση έχει αντίκτυπο και σε άλλους ερευνητικούς τομείς, καθώς για παράδειγμα η παρουσία μποζονίων U έλυνε ένα πρόβλημα που αφορούσε στις μαγνητικές ροπές των μιονίων, οι οποίες δεν εξηγούνται επαρκώς από το Καθιερωμένο Πρότυπο, παρουσιάζοντας έτσι νέες προκλήσεις στην υφιστάμενη θεωρία.