Τα αντιπρωτόνια αποκαλύπτουν την σκοτεινή ύλη. Antiprotons May Hold Dark Matter Signal

Τα τελευταία δεδομένα σχετικά με τον αριθμό των αντιπρωτονίων που περιέχονται στις κοσμικές ακτίνες μπορεί να κρύβουν αποδείξεις για την ύπαρξη των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. To Άλφα Μαγνητικό Φασματόμετρο ή AMS (Alpha Magnetic Sectrometer) στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Recently released data on cosmic-ray antiprotons may contain hints of dark matter, as revealed by two new analyses. Exterior view of the ISS with the AMS-02 visible in the foreground. Credit: NASA

Μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος ανίχνευσης της σκοτεινής ύλης είναι η αναζήτηση «πλεονάσματος» αντιπρωτονίων(*) στις κοσμικές ακτίνες που κατά πάσα πιθανότητα προέρχεται από τα προϊόντα αντιδράσεων των σωματιδίων σκοτεινής ύλης. Δυο ερευνητικές ομάδες ανέλυσαν, ανεξάρτητα η μία από την άλλη, τα δεδομένα ανίχνευσης αντιπρωτονίων στις κοσμικές ακτίνες από το πείραμα Alpha Magnetic Spectrometer (AMS). Και οι δυο ομάδες βρήκαν ενδείξεις περίσσειας αντιπρωτονίων πίσω από την οποία μπορεί να βρίσκονται σωματίδια σκοτεινής ύλης με μάζα μερικών δεκάδων GeV/c².

Oι κοσμικές ακτίνες περιέχουν έναν μικρό αριθμό σωματιδίων αντιύλης, όπως ποζιτρόνια (αντιηλεκτρόνια) και αντιπρωτόνια. Τα περισσότερα από αυτά τα αντι-σωματίδια σχηματίζονται σε «αστροφυσικές» συγκρούσεις μεταξύ υψηλής ενέργειας κοσμικών ακτίνων και μεσοαστρικού αερίου. Όμως, ένα μικρό ποσοστό από αυτά μπορεί να προέρχεται από διασπάσεις σωματιδίων σκοτεινής ύλης.

Οι ερευνητές Alessandro Cuoco et al από το Πανεπιστήμιο του Aachen στη Γερμανία [Novel Dark Matter Constraints from Antiprotons in Light of AMS-02], υπέθεσαν δυο σενάρια – ένα με σκοτεινή ύλη και ένα χωρίς. Στη συνέχεια έκαναν προσομοιώσεις και για τις δυο περιπτώσεις προσαρμόζοντας τις παραμέτρους έτσι ώστε να πάρουν το φάσμα των αντιπρωτονίων, πρωτονίων και πυρήνων ηλίου που περιέχονται στα δεδομένα του Άλφα Μαγνητικού Φασματομέτρου αλλά και σε άλλα πειράματα. Διαπίστωσαν ότι στο σενάριο της σκοτεινής ύλης, η ύπαρξη ενός σωματιδίου με μάζα 80 GeV/c², παρείχε την καλύτερη προσαρμογή στα παρατηρούμενα αντιπρωτόνια σε σχέση με το σενάριο χωρίς σκοτεινή ύλη.

Εν τω μεταξύ, ο Ming-Yang Cui και οι συνεργάτες του από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών [Possible Dark Matter Annihilation Signal in the AMS-02 Antiproton Data], πραγματοποίησαν μια ανεξάρτητη ανάλυση βασισμένη σε ένα ελαφρώς διαφορετικό σύνολο υποθέσεων. Η στρατηγική τους βασίστηκε σε παρατηρήσεις του λόγου βορίου προς άνθρακα που περιέχονται στην κοσμική ακτινοβολία, ο οποίος δίνει μια ένδειξη του πόσο μακριά έχουν ταξιδέψει οι κοσμικές ακτίνες μέχρι να φτάσουν σε μας. Διαπίστωσαν ότι ένα μοντέλο με σωματίδια σκοτεινής ύλης μάζας 40 έως 60 GeV/c², έδινε καλύτερη προσαρμογή στα δεδομένα των αντιπρωτονίων.

Τα αποτελέσματα αυτά, μαζί με προαναφερθέντα των Cuoco et al, βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με τα συμπεράσματα μιας άλλης έρευνας σχετικής με το παρατηρούμενο πλεόνασμα ακτίνων γάμα που εκπέμπεται από το κέντρο του γαλαξία μας, η ερμηνεία του οποίου απαιτεί επίσης την ύπαρξη σωματιδίων σκοτεινής ύλης.

When protons and antiprotons collide, W bosons are produced asymmetrically, since the up quark carries more momentum than the down. By looking at the directions of positively (blue) and negatively (red) charged muons from W decay, we gain deeper understanding about the quark interactions.

(*) Το αντιπρωτόνιο είναι δομικό σωματίδιο της αντιύλης (αντισωματίδιο) το οποίο έχει την ίδια μάζα με το πρωτόνιο αλλά αντίθετο (-1) φορτίο. Τα αντιπρωτόνια είναι σταθερά σωματίδια, αλλά στο περιβάλλον της ύλης συνήθως έχουν μικρή διάρκεια ζωής γιατί σε επαφή με πρωτόνια εξαϋλώνονται (ένα αντιπρωτόνιο με ένα πρωτόνιο) και η μάζα τους μετατρέπεται σε ενέργεια.

Πηγές: https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.118.191102 - physicsgg