Ένας υποψήφιος βαρέων βαρών για την σκοτεινή ύλη. A heavyweight candidate for dark matter

Η φωτογραφία έχει προκύψει από σύνθεση πολλών εικόνων και δείχνει την σύγκρουση ομάδας γαλαξιών. Με μπλε χρώμα σημειώνεται η κατανομή της σκοτεινής ύλης που υπολογίζεται έμμεσα. Researchers postulate a new particle and propose a method to prove its existence. Looking at dark matter: this photo is a montage of several images and shows the colliding galaxy clusters collectively known as the “Bullet Cluster” (1E 0657-56). The galaxies visible in optical light in the background image are overlaid with X-rays from the intergalactic gas clouds (pink), as well as the mass distribution calculated from gravitational lensing effects and therefore – indirectly – the dark matter (blue). © NASA/CXC/M. Weiss – Chandra X-Ray Observatory

Σύμφωνα με τους κοσμολόγους τo 25,8% του περιεχομένου του σύμπαντος είναι σκοτεινή ύλη. Μπορεί να μην την βλέπουμε, να μην την αισθανόμαστε αλλά ξέρουμε πως υπάρχει! Υπάρχουν ατράνταχτα αστρονομικά δεδομένα που το αποδεικνύουν. Αν δεν υπήρχε η σκοτεινή ύλη τότε οι περιστρεφόμενοι γαλαξίες θα είχαν διαλυθεί, ενώ άλλα αστρονομικά φαινόμενα, όπως το φαινόμενο των βαρυτικών φακών ή τα εντυπωσιακά αποτελέσματα των συγκρούσεων σμηνών γαλαξιών, θα ήταν αδύνατον να κατανοηθούν.

Έτσι, το μόνο σίγουρο για την σκοτεινή ύλη είναι πως έχει μάζα και ότι αλληλεπιδρά με την γνωστή ύλη (και τον εαυτό της) με την δύναμη της βαρύτητας. Δεν αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά, και γι αυτό αποκαλείται «σκοτεινή», αφού δεν μπορούμε να την δούμε ή να την αγγίξουμε!

Οι φυσικοί προτείνουν διάφορες λύσεις στο μυστήριο της σκοτεινής ύλης αλλά μέχρι σήμερα καμία από αυτές δεν έχει επικρατήσει. Μεταξύ αυτών και οι Hermann Nicolai και Krzysztof Meissner, οι οποίοι στην εργασία τους με τίτλο «Planck mass charged gravitino dark matter» υποστηρίζουν πως υποψήφιο για σωματίδιο σκοτεινής ύλης μπορεί να είναι ένα πολύ μεγάλης μάζας σωματίδιο που ονομάζεται γκραβιτίνο. Η ύπαρξη αυτού του υποθετικού σωματιδίου προκύπτει από μια θεωρία που φιλοδοξεί να εξηγήσει το παρατηρούμενο φάσμα των κουάρκ και των λεπτονίων του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής Φυσικής με μια πιο θεμελιώδη θεωρία. Οι ερευνητές περιγράφουν στην εργασία τους και μια πιθανή μέθοδο ανίχνευσης αυτού του «σκοτεινού» σωματιδίου.

Επιπλέον, με την υπόθεσή τους εξηγούν γιατί μόνο τα μέχρι τώρα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια εμφανίζονται ως βασικά δομικά στοιχεία της ύλης – και γιατί δεν πρόκειται να ανακαλυφθούν νέα σωματίδια στις ενέργειες που μπορούν να προσεγγίσουν οι τωρινοί και μελλοντικοί επίγειοι επιταχυντές.

Ο Μάρεϋ Γκελ-Μαν (Murray Gell-Mann, 15 Σεπτεμβρίου 1929 – 24 Μαΐου 2019) ήταν Αμερικανός φυσικός που τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1969 για την ερευνητική του συνεισφορά στη θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων. Ο Γκελ-Μαν, καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στην έδρα «Ρόμπερτ Α. Μίλικαν» στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια και συνιδρυτής του Ινστιτούτου της Σάντα Φε, είχε περάσει και αρκετά χρόνια στο CERN. Murray Gell-Mann made many pioneering contributions to particle physics. Credit: CERN

Η εργασία των Hermann Nicolai και Krzysztof Meissner υιοθετεί μια παλιά ιδέα του βραβευμένου με Νόμπελ φυσικής  Murray Gell-Mann που βασίζεται στη θεωρία «υπερβαρύτητας Ν=8». Ένα βασικό σημείο της πρότασής τους είναι ένας νέος τύπος συμμετρίας απείρων διαστάσεων που περιγράφει το παρατηρούμενο φάσμα των γνωστών κουάρκ και λεπτονίων σε τρεις οικογένειες (ή γενιές). Η υπόθεσή τους δεν απαιτεί νέα επιπλέον σωματίδια για την συνηθισμένη ύλη – τα οποία θα έπρεπε να αναζητηθούν στα πειράματα των επιταχυντών. Αντίθετα, θα μπορούσε κατ’ αρχήν να εξηγήσει γιατί βλέπουμε μόνο τα γνωστά μας σωματίδια, αλλά και το γεγονός ότι οι επιταχυντές σαν τον LHC δεν πρόκειται να παράξουν νέα σωματίδια.

Όμως, το περιεχόμενο του σύμπαντός μας δεν μπορεί να εξηγηθεί μόνο με τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου. Η φύση της σκοτεινής ύλης για παράδειγμα, είναι ένα από τα σημαντικότερα αναπάντητα ερωτήματα της κοσμολογίας. Η συνήθης υπόθεση είναι πως η σκοτεινή ύλη συνίσταται από ένα στοιχειώδες σωματίδιο το οποίο δεν ανιχνεύεται γιατί αλληλεπιδρά μάλλον αποκλειστικά με την βαρυτική δύναμη. Η θεωρία των δυο φυσικών θέτει ένα τέτοιου είδους σωματίδιο ως υποψήφιο σωματίδιο σκοτεινής ύλης, αν και με εντελώς διαφορετικές ιδιότητες από όλα τα υποψήφια σωματίδια που προτάθηκαν μέχρι σήμερα, όπως τα αξιόνια ή τα WIMPs  (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Μαζικά Σωματίδια  – Weakly Interacting Massive Particles). Τα τελευταία αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την γνωστή ύλη. Το ίδιο ισχύει και για τα πολύ ελαφρά γκραβιτίνο τα οποία έχουν προταθεί επανειλημμένα  ως υποψήφια σωματίδια σκοτεινής ύλης σε σχέση με την χαμηλής ενέργειας υπερσυμμετρία. Ωστόσο, η νέα πρόταση πηγαίνει σε μια τελείως διαφορετική κατεύθυνση, αφού δεν αποδίδει πλέον πρωταρχικό ρόλο στην υπερσυμμετρία. Προβλέπει γκραβιτίνα πολύ μεγάλης μάζας, τα οποία σε αντίθεση με τα ελαφρά γκραβιτίνα που προτάθηκαν στο παρελθόν ως σωματίδια σκοτεινής ύλης, αλληλεπιδρούν με την συνηθισμένη ύλη διαμέσου και των ηλεκτρομαγνητικών και των ισχυρών δυνάμεων.

Η μεγάλη τους μάζα σημαίνει ότι τα σωματίδια αυτά θα μπορούν να εμφανίζονται μόνο σε πολύ αραιή μορφή στο σύμπαν, διαφορετικά θα το οδηγούσαν σε πρόωρη κατάρρευση. Δεν χρειάζονται πολλά από αυτά τα σωματίδια για να εξηγήσουμε την σκοτεινή ύλη του Γαλαξία μας – θα αρκούσε ένα σωματίδιο ανά 10.000 κυβικά χιλιόμετρα!

Η μάζα αυτού του σωματιδίου βρίσκεται στην περιοχή της μάζας Planck – δηλαδή είναι περίπου 10^-8kg (=0,00001γραμμάρια). Συγκριτικά, ισούται με τη μάζα δέκα εκατομμυρίων βακτηρίων περίπου ή με την μάζα του μικρότερου αντικειμένου που μπορούμε να διακρίνουμε με γυμνό μάτι – ενός κόκκου σκόνης!

Το γεγονός ότι τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικά και ισχυρά τα κάνει εύκολα ανιχνεύσιμα, παρά την εξαιρετική σπανιότητά τους. Μια δυνατότητα είναι τα αναζητήσουμε με ειδικές μετρήσεις χρόνου-πτήσης στο εσωτερικό της Γης, καθώς τα σωματίδια αυτά κινούνται με πολύ πιο μικρές ταχύτητες από την ταχύτητα του φωτός, σε αντίθεση με τα συνήθη σωματίδια της κοσμικής ακτινοβολίας.

Αυτού του είδους τα γκραβιτίνα θα διεισδύουν εύκολα στο εσωτερικό της Γης εξαιτίας της μεγάλης τους μάζας – όπως μια μπάλα κανονιού δεν μπορεί να σταματήσει από ένα σμήνος κουνουπιών. Το γεγονός αυτό προκαλεί τους ερευνητές να «δουν», τον πλανήτη μας ως «παλαιο-ανιχνευτή»: η Γη περιπλανιέται στο διάστημα για περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, κατά τη διάρκεια των οποίων πρέπει να έχουν διεισδύσει στο εσωτερικό της πολλά από αυτά τα σκοτεινά σωματίδια μεγάλης μάζας. Κατά τη διείσδυση, θα πρέπει να έχουν αφήσει μακριές, ευθείες διαδρομές ιονισμού στα πετρώματα, αλλά δεν θα είναι εύκολο να διακριθούν από τα ίχνη που προκαλούν τα γνωστά μας σωματίδια.

Πάντως, η ιδέα να ιδωθεί η Γη ως ένας ανιχνευτής σκοτεινής ύλης δεν προκαλεί καμία ιδιαίτερη εντύπωση, μετά από μια πρόσφατη δημοσίευση που εξέταζε «το ανθρώπινο σώμα ως ανιχνευτή σκοτεινής ύλης»!

Πηγές: https://www.mpg.de/13821978/a-heavyweight-candidate-for-dark-matter?c=2249 - physicsgg