Νέο υποψήφιο «συστατικό» της σκοτεινής ύλης. Could a new proposed particle help to detect dark matter?

Παρόλο που η σκοτεινή ύλη αντιστοιχεί στο 85% της ύλης που απαρτίζει το σύμπαν, μέχρι σήμερα δεν έχει ανιχνευθεί ώστε να εξακριβωθεί από ποιο είδος σωματιδίων αποτελείται. A massive cluster of yellowish galaxies, seemingly caught in a red and blue spider web of eerily distorted background galaxies, makes for a spellbinding picture from the new Advanced Camera for Surveys aboard NASA's Hubble Space Telescope. To make this unprecedented image of the cosmos, Hubble peered straight through the center of one of the most massive galaxy clusters known, called Abell 1689. The gravity of the cluster's trillion stars — plus dark matter — acts as a 2-million-light-year-wide lens in space. This gravitational lens bends and magnifies the light of the galaxies located far behind it. Some of the faintest objects in the picture are probably over 13 billion light-years away (redshift value 6). Strong gravitational lensing as observed by the Hubble Space Telescope in Abell 1689 indicates the presence of dark matter. Credit: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI),G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), the ACS Science Team and ESA

Ένα νέο υποθετικό στοιχειώδες σωματίδιο προτείνουν ερευνητές από το πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον και το Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ, με μια καινούρια θεωρία σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης.

Παρόλο που η σκοτεινή ύλη αντιστοιχεί στο 85% της ύλης που απαρτίζει το σύμπαν, μέχρι σήμερα δεν έχει ανιχνευθεί ώστε να εξακριβωθεί από ποιο είδος σωματιδίων αποτελείται.

Έτσι, η ύπαρξή της συνάγεται μόνο έμμεσα, δηλαδή από τη βαρυτική της αλληλεπίδραση σε κοσμικές δομές, όπως για παράδειγμα στους γαλαξίες.

Επίσης, αν και ορισμένες προγενέστερες θεωρίες έχουν προβλέψει υποατομικά σωματίδια με ιδιότητες που θα εξηγούσαν τη συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν, τουλάχιστον προς το παρόν δεν έχουν επιβεβαιωθεί από την πρώτη φάση πειραμάτων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN στη Γενεύη.

Researchers have proposed a new fundamental particle which could explain why no one has managed to detect 'Dark Matter', the elusive missing 85 per cent of the Universe's mass. Dark Matter is thought to exist because of its gravitational effects on stars and galaxies, gravitational lensing (the bending of light rays) around these, and through its imprint on the Cosmic Microwave Background (the afterglow of the Big Bang). Despite compelling indirect evidence and considerable experimental effort, no one has managed to detect Dark Matter directly. (Credit: Thinkstock)

Όπως περιγράφουν οι επιστήμονες σε άρθρο τους στο περιοδικό Scientific Reports, η μάζα του σωματιδίου που προτείνουν είναι πολύ μικρή, μόλις 0,02% της μάζας του ηλεκτρονίου.

Αν και δεν αλληλεπιδρά με το φως, με συνέπεια να μην μπορεί να γίνει αντιληπτό από τα αστρονομικά όργανα, αλληλεπιδρά και μάλιστα ισχυρά με τη συμβατική ύλη. Στην πραγματικότητα, αντίθετα από άλλα υποψήφια «συστατικά» της σκοτεινής ύλης, το σωματίδιο αυτό δεν μπορεί να διαπεράσει τη γήινη ατμόσφαιρα.

Εφόσον το σωματίδιο σκοτεινής ύλης χ αλληλεπιδρά με την ατμόσφαιρα της Γης, η πειραματική διάταξη ανίχνευσής του πρέπει να βρίσκεται στο διάστημα. (a), Location of the space-craft at Lagrange point 2 in the context of our solar system (not to scale). (b), Close-up of the optical arrangement: a compound objective lens provides high numerical aperture focusing for laser light to create a gradient-force dipole trap for a micron-scale particle. Light, which diverges strongly after the particle, is collected by a lens. Interference between the laser light and the light scattered coherently by the particle gives rise to a difference in intensity across the cross-section which, when measured by balanced photodiodes (PDs), provides sub-wavelength position information in three dimensions. (c), A further close-up, showing s-wave scattering of a χ DM particle, with an approximately plane-wave incident wavefunction and an example scattering outgoing direction with the associated recoil of the test particle.

Επομένως, σύμφωνα με τους ερευνητές, είναι απίθανο να ανιχνευθεί από επίγεια όργανα. Γι’ αυτό και οι επιστήμονες σχεδιάζουν να το αναζητήσουν μέσω πειραμάτων στο διάστημα.

Έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα, όπως προβλέπουν, ειδικά νανοσωματίδια θα δεχθούν καθοδικές δυνάμεις από τη ροή της σκοτεινής ύλης στην οποία θα εκτεθούν. Αν η θεωρία τους ευσταθεί, τότε μετρώντας τη θέση των νανοσωματιδίων με μεγάλη ακρίβεια, θα μπορέσουν να προσδιορίσουν στοιχεία για τη φύση αυτού του «συστατικού».

Όπως αναφέρει στην ανακοίνωση της ομάδας ο Τζέιμς Μπέιτμαν από το Τμήμα φυσικής του πανεπιστήμιου του Σαουθάμπτον, ο οποίος συνυπογράφει το άρθρο: «Η δουλειά μας συνδυάζει πολλούς διαφορετικούς κλάδους της φυσικής: παρατηρησιακή αστρονομία ακτίνων Χ, πειραματική κβαντική οπτική και φυσική στοιχειωδών σωματιδίων. Το σωματίδιο που προτείνουμε είναι τελείως θεωρητικό, μέχρι σήμερα ωστόσο δεν υπάρχουν παρατηρήσεις ή πειράματα που να αποκλείουν την ύπαρξή του. Η σκοτεινή ύλη είναι ένα από τα σημαντικά άλυτα προβλήματα της σύγχρονης φυσικής».

Από την άλλη μεριά, ο Αλεξάντερ Μέρλε από το γερμανικό ινστιτούτο Μαξ Πλανκ, που συνυπογράφει την έρευνα, σημειώνει πως υπάρχει «χώρος» για νέα μοντέλα σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης. Κι αυτό γιατί για καμία από τις υπάρχουσες θεωρίες δεν έχει υπάρξει μέχρι σήμερα η παραμικρή ένδειξη που να συνηγορεί υπέρ της.

«Αυτή τη στιγμή, τα πειράματα για τη σκοτεινή ύλη δεν δίνουν κανένα σαφή προσανατολισμό και, με δεδομένο πως ούτε στον Μεγάλο επιταχυντή Αδρονίων δεν έχουν βρεθεί ενδείξεις για μια νέα φυσική θεωρία, ίσως ήρθε η ώρα να στραφούμε σε εναλλακτικές εξηγήσεις. Ολοένα περισσότεροι φυσικοί συμφωνούν με αυτή την άποψη, ενώ η πρότασή μας αποτελεί μπορεί να ανταγωνισθεί τα σημαντικότερα μοντέλα που έχουν διατυπωθεί έως τώρα».