Το πείραμα PADME ψάχνει την μυστηριώδη «σκοτεινή δύναμη». Scientists hunt mysterious 'dark force' to explain hidden realm of the cosmos

Οι φυσικοί λένε ότι η ύπαρξη πέμπτης δύναμης στη φύση θα προκαλούσε μια νέα επιστημονική επανάσταση. Physicists say a fifth force of nature would ‘completely change the paradigm’. Dark matter lurks around galaxies. Photograph: Alan Dyer/Getty Images/age fotostock RM

Οι σημερινές θεωρίες της φυσικής μπορούν να μας εξηγήσουν την συμπεριφορά μόνο του 5% του περιεχομένου του σύμπαντος – την γνωστή ύλη από την οποία αποτελούμαστε και μας περιβάλλει. Για το υπόλοιπο 23% (σκοτεινή ύλη) και 72%(σκοτεινή ενέργεια) έχουμε μαύρα μεσάνυχτα.

Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης είναι απαραίτητη για δικαιολογηθεί το γεγονός ό,τι οι περιστρεφόμενοι γαλαξίες δεν διαλύονται, αφού η γνωστή ορατή ύλη δεν επαρκεί για την βαρυτική ισορροπία τους. Ο μόνος γνωστός τρόπος με τον οποίο αλληλεπιδρά η σκοτεινή ύλη με την γνωστή ύλη (και τον εαυτό της) είναι η βαρύτητα. Η έννοια της σκοτεινής ενέργειας εισήχθη για να εξηγηθεί ο επιταχυνόμενος ρυθμός της διαστολής του σύμπαντος.

Οι φυσικοί σήμερα γνωρίζουν ότι τα σωματίδια της γνωστής μας ύλης αλληλεπιδρούν διαμέσου τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων: την βαρυτική, την ηλεκτρομαγνητική, την ασθενή πυρηνική και την ισχυρή πυρηνική.

Ίσως όμως να υπάρχουν κι άλλες δυνάμεις που δεν έχουν παρατηρηθεί μέχρι σήμερα, οι οποίες θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις αλληλεπιδράσεις της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης.

The PADME experiment at Laboratori Nazionali di Frascati of INFN aims to search for the "Dark Photon" using positron on target collision at the DAFNE Beam Test Facility.

Αυτόν τον μήνα ο Mauro Raggi (φυσικός στο Πανεπιστήμιο Σαπιέντσα της Ρώμης) και οι συνεργάτες του θα ξεκινήσουν ένα πείραμα στο Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής, κοντά στην Ρώμη, το οποίο έχει σχεδιαστεί για την αναζήτηση μιας πιθανής πέμπτης δύναμης στην φύση. Το πείραμα ονομάζεται Padme (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) και θα καταγράψει αυτό που συμβαίνει όταν ένα διαμαντένιο πλακίδιο πάχους 0,1 χιλιοστών βομβαρδίζεται με ποζιτρόνια (ή αντι-ηλεκτρόνια), που είναι σωματίδια αντιύλης.

Καθώς τα ποζιτρόνια διεισδύουν στο εσωτερικό του στόχου αλληλεπιδρούν με τα ατομικά ηλεκτρόνια και εξαϋλώνονται δημιουργώντας δυο φωτόνια (τα φωτόνια είναι τα σωματίδια του φωτός και επιπλέον μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση). Αυτό γνωρίζουμε πως θα συμβεί σίγουρα, σύμφωνα με την γνωστή φυσική.

Αν όμως υπάρχει και μια πέμπτη δύναμη στη φύση, τότε υπάρχει η πιθανότητα να συμβεί και κάτι διαφορετικό. Αντί να παραχθούν δύο κοινά ορατά φωτόνια θα μπορούσε να παραχθεί ένα μόνο σωματίδιο, το επονομαζόμενο «σκοτεινό φωτόνιο». Αυτό το υποθετικό προς το παρόν σωματίδιο είναι ο φορέας μιας πέμπτης αλληλεπίδρασης, της σκοτεινής ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.

Σε αντίθεση με τα κανονικά σωματίδια του φωτός, αν παραχθούν σκοτεινά φωτόνια τότε αυτά θα είναι αόρατα στον ανιχνευτή του πειράματος PADME. Ο εντοπισμός τους μπορεί να γίνει συγκρίνοντας την αρχική ενέργεια των ποζιτρονίων με την τελική ενέργεια των προϊόντων. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να υπολογιστεί και η μάζα των σκοτεινών φωτονίων.  Ενώ τα κανονικά φωτόνια έχουν μηδενική μάζα ηρεμίας, τα σκοτεινά φωτόνια μπορεί να έχουν μάζα 50 φορές μεγαλύτερη από τα ηλεκτρόνια. Το σκοτεινό φωτόνιο, αν υπάρχει, θα έχει μηδαμινή επίδραση στον κόσμο που ζούμε. Όμως αν μάθουμε την μάζα του και τα είδη των σωματιδίων στα οποία διασπάται, τότε θα κατανοήσουμε καλύτερα το μεγαλύτερο κομμάτι του σύμπαντος για το οποίο γνωρίζουμε ελάχιστα πράγματα.

Υπενθυμίζεται ότι και στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, έγιναν προσπάθειες ανίχνευσης των σκοτεινών φωτονίων οι οποίες απέτυχαν.

For this purpose, the main detector is a so-called calorimeter, i.e. a device able to measure the electromagnetic energy deposited with great precision, at the same time ensuring determination of the direction of the particles hitting it. In order to produce an optimal number of interactions that produce dark photons compared to the background constituted by events due to “normal” electromagnetic interaction, a positron beam must be directed, with great accuracy (as regards the direction of incidence and the point of impact) towards a target consisting of the electrons of the atoms of a very thin and light material: in our case the carbon of a synthetic diamond which in turn can be used as a detector. All the experimental equipment must be in a vacuum in order to minimize interactions with air molecules and a magnetic field must at the same time sweep the beam of positrons that have not produced annihilations away from the calorimeter and allow the events in which the positrons interact with the target producing only one photon by radiation (so-called “breaking” or Bremsstrahlung radiation) to be excluded. The magnetic field of the right intensity and with the large volume required for PADME is produced by a spare magnet made available by CERN in Geneva. PADME

Tο πείραμα PADME θα διαρκέσει τουλάχιστον μέχρι το τέλος του έτους, αλλά υπάρχουν σκέψεις για την μεταφορά της διάταξης στο Πανεπιστήμιο Cornell το 2021. Εκεί θα συνδεθεί με έναν ισχυρότερο επιταχυντή σωματιδίων σε σχέση μ’ αυτόν που υπάρχει στην Ιταλία, διευρύνοντας έτσι την αναζήτηση των σκοτεινών φωτονίων.

Κι άλλα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο αναζητούν επίσης σκοτεινά φωτόνια. Σύμφωνα με τον Bryan McKinnon, ερευνητή στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης που συμμετέχει στην αναζήτηση σκοτεινών φωτονίων με τον επιταχυντή Τhomas Jefferson στη Βιρτζίνια: «Το σκοτεινό φωτόνιο, αν υπάρχει, θα είναι μια πύλη που θα μας επιτρέψει να κοιτάξουμε στον σκοτεινό τομέα για να δούμε τι συμβαίνει».

Οι φυσικοί δεν γνωρίζουν πόσο πολύπλοκος είναι ο σκοτεινός τομέας. Μπορεί να μην υπάρχουν νέες δυνάμεις για να ανακαλύψουμε. Η ίδια η σκοτεινή ύλη μπορεί να αλληλεπιδρά μόνο με την βαρύτητα και να αποτελείται από ένα μόνο είδος σωματιδίου. Αλλά μπορεί να αποκαλυφθεί ένα πολύ πλουσιότερο βασίλειο, στο οποίο κυριαρχούν νέα είδη αόρατων σωματιδίων και δυνάμεων.

Από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων το 2012, οι φυσικοί των σωματιδίων δεν παρουσίασαν άλλες μεγάλες ανακαλύψεις. Ωστόσο, η έλλειψη νέων ευρημάτων από μεγάλα εργαστήρια όπως το CERN, αύξησε τις προσπάθειες σε μικρότερα εργαστήρια για την πραγματοποίηση πολύ φιλόδοξων πειραμάτων με μικρότερο κόστος. Ποιες είναι οι πιθανότητες το πείραμα PADME να ανακαλύψει μια πέμπτη δύναμη; «Ψάχνουμε το σκοτάδι στην κυριολεξία»,  λέει ο Raggi. «Κι όταν το κάνεις έχεις τουλάχιστον μια πιθανότητα».

Πηγές: https://www.theguardian.com/science/2018/sep/03/scientists-hunt-for-dark-force-to-discover-what-the-universe-is-made-of – http://home.infn.it/en/media-outreach/news/3170-materia-oscura-padme-ai-blocchi-di-partenza-2 - https://physicsgg.me/2018/09/04/το-πείραμα-padme-ψάχνει-την-μυστηριώδη-σκ/