Κρύβεται σκοτεινή ύλη πίσω από τον θάνατο του νετρονίου; Neutron anomaly might point to dark matter

For more than 20 years, physicists have been unable to explain why two types of experiment yield different values for the lifetime of the neutron. One or more unknown systematic errors biasing the results is a possibility. But now a pair of particle theorists in the US have come up with an alternative explanation: that occasionally neutrons decay to a previously unknown particle which might account for the universe's dark matter. Credit: Lawrence Berkeley National Laboratory

Η σκοτεινή ύλη αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του σύμπαντος και οι φυσικοί αγωνίζονται εδώ και χρόνια να εξηγήσουν. Ενώ η ύπαρξή της καθίσταται αναμφισβήτητη από τα αστρονομικά δεδομένα, δεν μπορούμε να την δούμε (γι αυτό ονομάστηκε σκοτεινή) και μέχρι στιγμής φαίνεται πως είναι σχεδόν αδύνατον να ανιχνευθεί στα γήινα εργαστήρια. Υπενθυμίζεται ότι το 23% του σύμπαντος αποτελείται από σκοτεινή ύλη, το 72% από σκοτεινή ενέργεια και μόνο το 4,6% από την γνωστή μας ύλη.

Η σύσταση του σύμπαντος σύμφωνα με τις τελευταίες εκτιμήσεις. WMAP data reveals that its contents include 4.6% atoms, the building blocks of stars and planets. Dark matter comprises 23% of the universe. This matter, different from atoms, does not emit or absorb light. It has only been detected indirectly by its gravity. 72% of the universe, is composed of "dark energy", that acts as a sort of an anti-gravity. This energy, distinct from dark matter, is responsible for the present-day acceleration of the universal expansion. WMAP data is accurate to two digits, so the total of these numbers is not 100%. This reflects the current limits of WMAP's ability to define Dark Matter and Dark Energy. Credit: NASA / WMAP Science Team

Οι φυσικοί αναζητούν τα πιθανά σωματίδια σκοτεινής ύλης στα εργαστήρια βαδίζοντας σχεδόν στα τυφλά αφού γνωρίζουν ελάχιστα πράγματα για τα σωματίδια αυτά. Το μόνο σίγουρο είναι ότι αλληλεπιδρούν με εξαιρετικά ασθενή τρόπο με την συνηθισμένη ύλη.

Θα μπορούσε η σκοτεινή ύλη να κρύβεται πίσω από ένα πολύ συνηθισμένο φαινόμενο, όπως η διάσπαση του ελεύθερου νετρονίου; Οι φυσικοί Bartosz Fornal και Benjamın Grinstein όχι μόνο απαντούν καταφατικά στο ερώτημα, αλλά προτείνουν και εφικτές πειραματικές μεθόδους που θα μπορούσαν αποδείξουν τους ισχυρισμούς τους.

Μια πιθανή εξήγηση είναι άγνωστα συστηματικά σφάλματα να επηρεάζουν τα αποτελέσματα. Όμως, οι δυο θεωρητικοί φυσικοί κατέληξαν σε μια εναλλακτική ερμηνεία: ότι μερικές φορές τα νετρόνια διασπώνται προς ένα άγνωστο σωματίδιο που μπορεί να είναι συστατικό της σκοτεινής ύλης. Ισχυρίζονται ότι ένα τέτοιο σωματίδιο θα μπορούσε να αφήσει μια πολύ χαρακτηριστική υπογραφή σε ανιχνευτές πυρηνικής φυσικής.

Ο χρόνος ζωής του νετρονίου

Τα τελευταία 20 χρόνια και πλέον οι φυσικοί δεν μπορούν να εξηγήσουν γιατί δυο διαφορετικές πειραματικές τεχνικές δίνουν διαφορετικές τιμές στον χρόνο ζωής του νετρονίου.

Ο χρόνος ζωής του νετρονίου είναι περίπου 15 λεπτά. Το νετρόνιο υφίσταται διάσπαση β μετατρεπόμενο σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου.

Η διατήρηση της ενέργειας, του ηλεκτρικού φορτίου, της στροφορμής και άλλων κβαντικών αριθμών υπαγορεύει ότι αυτός είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο μπορούν να διασπαστούν τα νετρόνια σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο στων στοιχειωδών σωματιδίων.

The first use of a hydrogen bubble chamber to detect neutrinos, on November 13, 1970. A neutrino hit a proton in a hydrogen atom. The collision occurred at the point where three tracks emanate on the right of the photograph. Image courtesy of Argonne National Laboratory

Υπάρχουν δύο βασικές πειραματικές προσεγγίσεις για τη μέτρηση χρόνου ζωής των νετρονίων: η «μέθοδος της φιάλης» και η «μέθοδος δέσμης».

Στην «μέθοδο της φιάλης», νετρόνια με ενέργειες της τάξης των νανο-ηλεκτρονιοβόλτ, περιορίζονται σε μια παγίδα ή φιάλη που σχηματίζεται από συνδυασμούς μαγνητικών πεδίων, βαρύτητας και τοιχωμάτων. Ο στόχος είναι να μετρηθούν πόσα από αυτά παραμένουν αδιάσπαστα μετά από ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα.

Ο χρόνος ζωής των νετρονίων τ_n προκύπτει μετρώντας τον αριθμό των σωματιδίων που επιβιώνουν στην παγίδα μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα.

Η δεύτερη προσέγγιση, η «μέθοδος της δέσμης»,  είναι να οδηγηθεί μια δέσμη νετρονίων γνωστής έντασης διαμέσου μιας ηλεκτρομαγνητικής παγίδας και να μετρηθούν τα πρωτόνια που δημιουργούνται σε δεδομένο χρονικό διάστημα.

Με την «μέθοδο της δέσμης» ανιχνευτές καταμετρούν τον ρυθμό διάσπασης των νετρονίων σε καθορισμένο όγκο μιας δέσμης νετρονίων.

Από την δεκαετία του 1980 τα αποτελέσματα των δυο πειραμάτων συνεχίζουν να διαφέρουν μεταξύ τους. Ενώ η μέθοδος της φιάλης μας λέει ότι τα νετρόνια διασπώνται μετά από περίπου 800 δευτερόλεπτα κατά μέσο όρο (τ_n = 879.6 ± 0.6 s), τα πειράματα με τη δέσμη νετρονίων δίνουν μεγαλύτερο χρόνο ζωής κατά 8 δευτερόλεπτα (τ_n = (888.0 ± 2.0 s).

Η διαφορά είναι σημαντική διότι δεν μπορεί να αιτιολογηθεί εξαιτίας των τυχαίων ή των γνωστών συστηματικών σφαλμάτων. Μέχρι το 2013, η απόκλιση εκτιμάτο στα 2,9σ. Στη συνέχεια, και ενώ οι πειραματικές διαδικασίες βελτιώθηκαν, η ασυμφωνία αυξήθηκε φθάνοντας στα 4σ.

Ένας διαφορετικός τρόπος διάσπασης του νετρονίου

Το πείραμα UCNA στο Lοs Alamos. The UCNA experiment at Los Alamos National Laboratory is looking for photons produced during neutron decay. (Courtesy: US DOE/LANL)

Στην πρόσφατη δημοσίευσή τους οι Fornal και Grinstein [https://arxiv.org/abs/1801.01124] προτείνουν ότι η αυτή η ανωμαλία αυτή μπορεί να είναι ένδειξη της σκοτεινής ύλης. Η ιδέα έγκειται στο ότι ενώ πολλά νετρόνια εξαφανίζονται διαμέσου της βήτα διάσπασης, ένα μικρό κλάσμα (περίπου 1%) θα μπορούσε να διασπάται σε ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης – μια διαδικασία που θα παραβίαζε την διατήρηση του βαρυονικού αριθμού.

Ενώ τα πειράματα με τη φιάλη νετρονίων μετρούν και την βήτα και την πιθανή «σκοτεινή» διάσπαση, τα πειράματα με τη δέσμη νετρονίων μετρούν μόνο την διάσπαση βήτα. Το τελικό αποτέλεσμα είναι τα πειράματα με την δέσμη νετρονίων να υπερεκτιμούν τον χρόνο ζωής των νετρονίων.

Η νέα αυτή πρόταση δεν παρουσιάζει ένα μοναδικό σωματίδιο σκοτεινής ύλης με συγκεκριμένες ιδιότητες, αλλά δείχνει ότι υπάρχουν κι άλλα υποψήφια σωματίδια που εξηγούν τα πειραματικά δεδομένα. Επιπλέον, υποδεικνύει ότι μερικές από τις πιθανές νέες διαδικασίες διάσπασης του νετρονίου θα μπορούσαν να ανιχνευθούν.

Έτσι, όταν το νετρόνιο διασπάται σε ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης, παράγονται ταυτόχρονα και ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου ή ένα φωτόνιο, των οποίων οι ενέργειες καθορίζονται από το μικρό εύρος της επιτρεπόμενης μάζας του σωματιδίου της σκοτεινής ύλης.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς των Fornal και Grinstein η μάζα του σκοτεινού σωματιδίου πρέπει να είναι από 937,9 έως 938,8 MeV. Δεδομένου ότι το νετρόνιο έχει μάζα 939.6 MeV, τότε το φωτόνιο που προκύπτει στην υποτιθέμενη διάσπαση θα πρέπει να έχει ενέργεια περίπου 0,8 – 1,7 MeV.

Αυτά τα φωτόνια θα μπορούσαν να παρατηρηθούν σε πειράματα πυρηνικής φυσικής, αρκεί να περιοριστεί ο θόρυβος του υποβάθρου και κάποιοι πειραματιστές σχεδιάζουν τεχνικές ανάλυσης δεδομένων με στόχο την εξάλειψη του θορύβου. Έτσι, δύο ερευνητικές ομάδες στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos στο Νέο Μεξικό – UCNA και UCNtau – αναζητούν προς το παρόν τα φωτόνια (ακτίνες γ) και τα σήματα ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων μέσα στα δεδομένα διάσπασης των νετρονίων. «Οι αναλύσεις των δεδομένων βρίσκονται σε εξέλιξη», λέει ο Peter Geltenbort, μέλος της ομάδας UCNA από το Ινστιτούτο Laue-Langevin στη Γαλλία.

Ο Ben Rybolt του πανεπιστημίου του Kennesaw στις ΗΠΑ περιγράφει την πρόσφατη εργασία ως μια «εύλογη προσέγγιση» για την επίλυση της ανωμαλίας των νετρονίων, έχοντας και ο ίδιος εργαστεί σε πιθανές πειραματικές υπογραφές μιας ανταγωνιστικής εξωτικής λύσης – ότι τα νετρόνια μπορεί μερικές φορές να ταλαντώνονται σε «κατοπτρικά νετρόνια» πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

Αν οι μελλοντικές μετρήσεις της διάρκειας ζωής των νετρονίων δεν αποκαλύψουν τυχόν κρυμμένα συστηματικά σφάλματα, τότε θα υπάρξουν ακόμα περισσότεροι λόγοι για την αναζήτηση τέτοιων εξωτικών λύσεων.

Πηγές: http://physicsworld.com/cws/article/news/2018/jan/19/neutron-anomaly-might-point-to-dark-matter - physicsgg