Νέα θεωρία για τη φύση της σκοτεινής ύλης. New theory says dark matter acts like well-known particle

Conventional theories predict that dark matter particles would not collide, rather they would slip past one another. Hochberg et al. predicts dark matter SIMPs would collide and interact with one another. Credit: Kavli IPMU

Μια παραλλαγή ενός σωματιδίου γνώριμου στους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες είναι το «συστατικό» της σκοτεινής ύλης, σύμφωνα με Αμερικανούς φυσικούς από το πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϊ και το Κορνέλ στη Νέα Υόρκη. Οι επιστήμονες περιγράφουν τη θεωρία τους σε άρθρο στο περιοδικό Physical Review Letters, εξηγώντας πώς η συμπεριφορά του «σκοτεινού πιονίου», όπως έχουν ονομάσει το σωμάτιο, θα μπορούσε να εξηγήσει συμπαντικά φαινόμενα, όπως την πυκνότητα ορισμένων γαλαξιών-νάνων.

Astronomers know more about what dark matter is not than what it actually is. See what scientists know about dark matter in this SPACE.com infographic. Credit: Karl Tate, SPACE.com Infographics Artist

Σύμφωνα με τους κοσμολόγους, η σκοτεινή ύλη αντιστοιχεί στο 85% της συνολικής ύλης του σύμπαντος, ενώ η φύση της παραμένει ακόμη άγνωστη αφού ούτε απορροφά  ούτε εκπέμπει φως, με συνέπεια να μην μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα. Η ύπαρξή της, όπως το ποσοστό με το οποίο «συμμετέχει» στη σύσταση του σύμπαντος, προκύπτει από τη βαρυτική της επίδραση σε κοσμικές δομές όπως οι γαλαξίες.

Με βάση την καινούρια θεωρία, η σκοτεινή ύλη αποτελείται από μία άγνωστη έως σήμερα παραλλαγή των πιονίων, μιας κατηγορίας υποατομικών σωματιδίων που συντίθενται από κουάρκ και αντικουάρκ και τα οποία έχουν ανακαλυφθεί από τη δεκαετία του 1930. Σε αντίθεση με άλλες θεωρίες για τη φύση της σκοτεινής ύλης, οι Αμερικανοί φυσικοί υποστηρίζουν πως αυτά τα «σκοτεινά πιόνια» αλληλεπιδρούν ισχυρά μεταξύ τους, ώστε όταν έρχονται σε επαφή να αλληλοεξουδετερώνονται εν μέρει και έτσι να παράγεται συμβατική ύλη.

Για να συμβεί αυτό, θα πρέπει να συγκρουσθούν τρία «σκοτεινά πιόνια». Τότε, ένα ποσοστό από τα κουάρκ τους αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και μετατρέπονται σε συμβατική ύλη, ενώ η υπόλοιπη σκοτεινή ύλη παραμένει ανεπηρέαστη. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός, σύμφωνα με τους Αμερικανούς φυσικούς, είναι η αιτία που οι αναλογίες σκοτεινής και συμβατικής ύλης στο σύμπαν είναι αυτές που παρατηρούνται σήμερα.

Οι επιστήμονες υποστηρίζουν επίσης πως, στο «νεαρό» σύμπαν, η σύγκρουση των «σκοτεινών πιονίων» μείωσε την ποσότητα της σκοτεινής ύλης. Καθώς όμως το σύμπαν διαστελλόταν, ο αριθμός των συγκρούσεων περιοριζόταν ολοένα περισσότερο, φθάνοντας στη σημερινή κατάσταση, όπου η αραιή χωρική κατανομή των σωματιδίων έχει ελαττώσει δραστικά τη συχνότητα εμφάνισης του μηχανισμού.

Ο συγκεκριμένος τρόπος αλληλεπίδρασης παραπέμπει στο αποτέλεσμα της σύγκρουσης τριών θετικά φορτισμένων πιονίων, δηλαδή σε ένα φαινόμενο που διαπιστωμένα συμβαίνει στη φύση. Ωστόσο, για να ισχύει η θεωρία, τα «σκοτεινά πιόνια» θα πρέπει να μην αποτελούνται από συμβατικά κουάρκ, όπως τα συμβατικά πιόνια, αφού σε αυτή την περίπτωση δεν θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης.

Αντίθετα, προσθέτουν οι Αμερικανοί φυσικοί, τα «σκοτεινά πιόνια» αποτελούνται από κουάρκ σκοτεινής ύλης, δηλαδή στοιχειώδη σωμάτια τα οποία δεν είναι ίδια με τα συμβατικά κουάρκ. Επίσης, κρατούνται ενωμένα από γλουόνια σκοτεινής ύλης που, σε αντίθεση με τα συμβατικά γλουόνια, έχουν μάζα.

Dark matter is an invisible material that emits or absorbs no light but betrays its presence by interacting gravitationally with visible matter. This image from Dark Universe shows the distribution of dark matter in the universe, as simulated with a novel, high-resolution algorithm at the Kavli Institute of Particle Astrophysics & Cosmology at Stanford University and SLAC National Accelerator Laboratory. Credit: © AMNH

Αν και η υπόθεση της επιστημονικής ομάδας ανοίγει τον δρόμο για έναν καινούριο «κόσμο» στοιχειωδών σωματιδίων, οι ίδιοι υποστηρίζουν πως αυτή καταφέρνει να εξηγήσει πιο αποτελεσματικά την πυκνότητα ορισμένων γαλαξιών-νάνων. Κι αυτό γιατί οι υπολογιστικές προσομοιώσεις που «επιστρατεύουν» εναλλακτικές θεωρίες για τη σύσταση της σκοτεινής ύλης, καταλήγουν στην αναπαράσταση των κοσμικών δομών με πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα στο κέντρο τους, από αυτήν που προκύπτει από τις αστρονομικές παρατηρήσεις.

Physicist Jeremy Mock inspects the Large Underground Xenon experiment detector, cylinder at center, that has now been lowered into its 70,000-gallon home in a water tank a mile beneath the earths surface in a shuttered gold mine in Lead, S.D. (AP PHOTO/COURTESY SANFORD LAB, MATT KAPUST)

Καθώς όμως αυτό το στοιχείο αποτελεί απλώς ένδειξη για την ισχύ της θεωρίας, και όχι απόδειξη, η ερευνητική ομάδα εκτιμά πως πιο αδιάσειστα στοιχεία μπορεί να προκύψουν κατά τη δεύτερη φάση λειτουργίας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN στη Γενεύη. Κάτι ανάλογο μπορεί να συμβεί με το πείραμα LUX (Large Underground Xenon), το οποίο λαμβάνει χώρα σε ένα ορυχείο 1.500 μέτρα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους στη Νότια Ντακότα των ΗΠΑ και βρίσκεται σε διαδικασία αναβάθμισης, για την αύξηση της ευαισθησίας του.

Παράλληλα, οι επιστήμονες μελετούν τους πιθανούς τρόπους με τους οποίους τα «σκοτεινά πιόνια» αλληλεπιδρούν με τη συμβατική ύλη. Έτσι, αισιοδοξούν πως θα καταλήξουν στα είδη των παρατηρήσεων που θα μπορούσαν να επιβεβαιώσουν τη θεωρία τους.

Πηγή: Yonit Hochberg, Eric Kuflik, Hitoshi Murayama, Tomer Volansky, Jay G. Wacker. Model for Thermal Relic Dark Matter of Strongly Interacting Massive Particles. Physical Review Letters, 2015; 115 (2) DOI:10.1103/PhysRevLett.115.021301