Ο κορυφαίος υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη χάνει έδαφος από τον πιο μικροσκοπικό ανταγωνιστή
Το μεγαλύτερο μέρος του βάρους του σύμπαντος, παραδόξως, θα μπορούσε να έχει τη μορφή σωματιδίων δισεκατομμύρια φορές ελαφρύτερα από το ηλεκτρόνιο - ένα ίδιο το φτερό, όπως κάνουν τα σωματίδια. Διασχίζοντας το σύμπαν σε χοντρές ορδές, αυτά τα μυτερά σωματίδια «αξίων» θα μπορούσαν να προκαλέσουν μια συλλογική σύγκρουση ως τη χαμένη σκοτεινή ύλη που φαίνεται να υπερτερεί όλης της ορατής ύλης 6-προς-1.
Για δεκαετίες, οι φυσικοί έψαχναν για τον κύριο αντίπαλο του axion:μια υποτονική και πολύ βαρύτερη υποψήφια σκοτεινή ύλη, γνωστή ως WIMP (για «ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια»). Ωστόσο, τα πειράματα WIMP παραμένουν με άδεια χέρια καθώς οι ερευνητές πλησιάζουν τις άκρες του πεδίου αναζήτησής τους, ενώ το κυνήγι για το axion μόλις αρχίζει.
«Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε ακόμα να είναι WIMP, αλλά κάθε μέρα φαίνεται λίγο λιγότερο πιθανό», είπε ο Ben Safdi, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν που ειδικεύεται στη σκοτεινή ύλη. Το axion "είναι κάπως ο καλύτερος υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη που έχουμε αυτή τη στιγμή", είπε, δεδομένου ότι άλλοι απέτυχαν να εμφανιστούν σε πειράματα.
Το πείραμα Axion Dark Matter Experiment (ADMX) στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον πέρυσι έγινε το πρώτο πείραμα αρκετά ευαίσθητο για να ανιχνεύσει το πιο πιθανό είδος axion, και η πειραματική ομάδα ανακοίνωσε πρόσφατα τα αποτελέσματα της τελευταίας αναζήτησής της. Δεν έπιασαν άξιον. Όμως, όπως ανέφεραν σε μια εργασία που βρίσκεται υπό εξέταση για δημοσίευση στο Physical Review Letters , μπόρεσαν να αποκλείσουν μια λωρίδα πιθανών μαζών άξονα τέσσερις φορές μεγαλύτερη από το εύρος μάζας που εξερεύνησαν στην πρώτη τους διαδρομή. Η ADMX συνεχίζει να σαρώνει τα μέρη όπου είναι πιο πιθανό να κρύβεται ένα axion. «Αυτοί ηγούνται της κατηγορίας», είπε ο Safdi.
Το άξιον προσελκύει πιστούς γιατί μπορούσε να λύσει δύο αινίγματα ταυτόχρονα. Η αόρατη παρουσία του θα εξηγούσε γιατί το σύμπαν ενεργεί τόσο πιο βαρύ από όσο φαίνεται. Και το σωματίδιο θα έδειχνε επίσης γιατί οι δύο θεμελιώδεις δυνάμεις που διαμορφώνουν τους ατομικούς πυρήνες ακολουθούν διαφορετικά βιβλία κανόνων — γι' αυτό οι φυσικοί επινόησαν το άξιον εξαρχής, τη δεκαετία του 1970.
Το παζλ είναι ότι η ισχυρή πυρηνική δύναμη διατάσσει σωματίδια μέσα στο νετρόνιο, γνωστά ως κουάρκ, έτσι ώστε το συνολικό τους φορτίο φαινομενικά να μην αυξάνεται ποτέ λοξά. Αυτή η ιδιότητα εμφανίζει μια περίεργη ισοτιμία από την πλευρά του νετρονίου που ονομάζεται συμμετρία ισοτιμίας φορτίου (CP):Η αντιστροφή του φορτίου κάθε κουάρκ και η ανάκλασή τους σε έναν καθρέφτη δεν επηρεάζει τη συμπεριφορά του νετρονίου. Ένα νετρόνιο με μονόπλευρο φορτίο θα αστοχούσε στη συμμετρία CP, επειδή αν αντανακλούσε το ηλεκτρικό του πεδίο σε σχέση με την εγγενή γωνιακή του ορμή, ένα αποτέλεσμα παρόμοιο με το να κοιτάτε στον καθρέφτη και να βλέπετε τον εαυτό σας να φοράει το πουλόβερ σας στα πόδια σας και το τζιν σας στον κορμό σας. Τα πραγματικά νετρόνια φαίνονται ίδια σε έναν καθρέφτη, καθώς τα πειράματα έχουν βρει ότι είναι ηλεκτρικά ομοιόμορφα σε τουλάχιστον ένα μέρος στο δισεκατομμύριο.
Αυτή η συμμετρία θα ήταν πολύ καλή αν οι φυσικοί δεν είχαν ανακαλύψει το 1964 ότι η ασθενής πυρηνική δύναμη δεν την μοιράζεται:Τα σωματίδια δύο κουάρκ που ονομάζονται ουδέτερα καόνια διασπώνται με τρόπους που η συμμετρία CP απαγορεύει. Δεδομένου ότι τα κουάρκ εμπλέκονται και στις δύο περιπτώσεις, οι ειδικοί θα περίμεναν ότι το σπάσιμο της συμμετρίας ασθενούς δύναμης θα επεκταθεί και στην ισχυρή δύναμη. Ξαφνικά η άψογη κατανομή φορτίου του νετρονίου έγινε γρίφος — το «ισχυρό πρόβλημα CP».
Το axion αντιπροσωπεύει την κορυφαία λύση, αν και οι θεωρητικοί που έθεσαν τις βάσεις για αυτό δεν είδαν αμέσως την πλήρη εικόνα. "Στην πραγματικότητα, έγραψα τις εξισώσεις, απλώς το μπερδεύω για να λειτουργήσει", είπε η Helen Quinn, η οποία πρότεινε έναν τρόπο αποκατάστασης της ισορροπίας στην ισχυρή δύναμη μαζί με τον Roberto Peccei το 1977.
Το ισχυρό πρόβλημα CP καταλήγει στην απροσδόκητη τιμή μιας σταθεράς - μιας γωνίας με την ένδειξη θ, ή θήτα - στις εξισώσεις που περιγράφουν την ισχυρή δύναμη. Η τιμή του φαίνεται να είναι μηδέν, γεγονός που κάνει τα φορτία του νετρονίου να παραμένουν στην ίδια γραμμή. Αλλά για τις πολλές άλλες τιμές που θα μπορούσε να πάρει το θ, τα κουάρκ παρεκκλίνουν. Μετά από λίγη σύγχυση, ο Quinn και ο Peccei προώθησαν το θ από σταθερά σε πεδίο που διαπερνά το χώρο, με μια τιμή που φυσικά θα μπορούσε να μηδενιστεί παντού. Η Κουίν συγκρίνει το μοντέλο της με ένα κεκλιμένο καπέλο μπόουλερ:Μια μπάλα μπορεί να ξεκινήσει από οποιαδήποτε γωνία γύρω από το χείλος, αλλά πάντα θα κυλήσει προς τα κάτω. Δύο άλλοι θεωρητικοί, ο Steven Weinberg και ο Frank Wilczek, παρατήρησαν σύντομα ότι το πεδίο Peccei-Quinn απαιτεί ένα σωματίδιο — μια διέγερση στο πεδίο — και το άξιον γεννήθηκε.
Στη συνέχεια, στη δεκαετία του 1980, οι παρατηρήσεις των ταχυτήτων περιστροφής των γαλαξιών και άλλα στοιχεία υποδηλώνουν όλο και περισσότερο ότι μια τεράστια ποσότητα της ύλης του σύμπαντος είναι αόρατη, αλληλεπιδρώντας με οτιδήποτε άλλο κυρίως μέσω της βαρύτητάς του. Τα αυξανόμενα στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη ώθησαν τον Pierre Sikivie, έναν θεωρητικό φυσικό τώρα στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα, να υπολογίσει πόσο αόρατο μπορεί να είναι το αξίον.
Η Sikivie εξήγησε σε μια συνέντευξη ότι το axion θα ήταν κάτι σαν πνευματικός ξάδερφος του φωτονίου, αλλά μόνο με έναν υπαινιγμό μάζας. Δεδομένου ότι το φωτόνιο - το σωματίδιο του φωτός και του ηλεκτρομαγνητισμού - διέπεται από τις εξισώσεις του Maxwell, ο Sikivie τροποποίησε την κλασική θεωρία για να ενσωματώσει το άξιον και διαπίστωσε ότι τα άξονα θα μπορούσαν απλώς να συσκευάσουν το σύμπαν αρκετά σφιχτά ώστε να μπορούν να προσθέσουν στη σκοτεινή ύλη που λείπει.
Υπολόγισε επίσης ότι τα άξιον δεν θα ήταν εντελώς μη ανιχνεύσιμα. πότε πότε θα μεταμορφώνονταν σε δύο φωτόνια. Συνειδητοποίησε ότι ο κορεσμός μιας περιοχής με ισχυρό μαγνητικό πεδίο (και επομένως πολλά φωτόνια) θα διεγείρει τη διάσπαση του άξονα, όπως τα φωτόνια διευκολύνουν την εκπομπή άλλων φωτονίων στα λέιζερ. Επίσης, όπως τα φωτόνια, τα αξιόνια είναι πολύ κυματοειδή, πέφτοντας στο κυματιστό άκρο της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου. Η μικροσκοπική μάζα τους τα κάνει εξαιρετικά κύματα χαμηλής ενέργειας, με μήκη κύματος σε μήκος μεταξύ ενός κτιρίου και ενός γηπέδου ποδοσφαίρου.
Ο Sikivie συνειδητοποίησε ότι το κλειδί για να ωθήσει αυτά τα χαμηλής ενέργειας άξονες να μετατραπούν σε φωτόνια θα ήταν μια συσκευή που θα μπορούσε να συντονιστεί ώστε να αντηχεί ακριβώς στο ίδιο μήκος κύματος με τα άξονα. Οραματίστηκε ένα μηχάνημα που ονομάζεται αλοσκόπιο που θα ενίσχυε ένα σήμα, ουσιαστικά να χτυπά σαν κουδούνι όταν ένα αξόνιο αποσυντίθεται.
Η εφαρμογή των αντιλήψεων του Sikivie διήρκεσε περισσότερα από 30 χρόνια, αλλά το ADMX είναι πλέον αρκετά ευαίσθητο ώστε να ανιχνεύει αξιόνια με μάζες που οι θεωρητικοί θεωρούν πιο εύλογες, ακόμα κι αν τα σωματίδια διασπώνται με τους χαμηλότερους θεωρητικούς ρυθμούς. Με έναν ισχυρό μαγνήτη που κάθεται σε μια παγοθήκη παγωμένη σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, το ADMX προσαρμόζει αργά τον συντονισμό του και σαρώνει για αξόνια. Το πόσο συχνά ο μαγνήτης μπορεί να μετατρέψει ένα αξόνιο σε δύο φωτόνια είναι άγνωστο, αλλά με τετράδισεκα αξόνια που δυνητικά περνούν από το πείραμα κάθε δευτερόλεπτο, μια ανίχνευση θα γινόταν γρήγορα σαφής.
Στην πρώτη του εκτέλεση, που αναφέρθηκε πέρυσι, το πείραμα σάρωσε από 0,65 έως σχεδόν 0,68 gigahertz αναζητώντας υπερβολική ισχύ από φωτόνια που γεννήθηκαν από το αξόνιο. φέτος η συνεργασία συνεχίστηκε στα 0,8 gigahertz. Αυτές οι συχνότητες σημαίνουν ότι το πείραμα έχει αποκλείσει άξονες που ζυγίζουν μεταξύ 187 δισεκατομμύρια φορές και 151 δισεκατομμύρια φορές λιγότερο από το ηλεκτρόνιο, με ευρύτερα εύρη που θα ακολουθήσουν. "Αρχίζουμε να παίρνουμε όλο και μεγαλύτερα κομμάτια", δήλωσε ο Gianpaolo Carosi, μέλος της συνεργασίας.
Η ομάδα αναμένει να φτάσει τουλάχιστον τα 2 gigahertz τα επόμενα χρόνια και ελπίζει να ωθήσει τελικά μέχρι τα 10 gigahertz, που θα αντιστοιχεί σε ένα άξιον 12 δισεκατομμύρια φορές ελαφρύτερο από το ηλεκτρόνιο. Οι εκτιμήσεις ποικίλλουν, αλλά οι περισσότεροι θεωρητικοί λένε ότι ένα άξιον που εκτελεί διπλά καθήκοντα καθώς και η σκοτεινή ύλη και ένας σταθεροποιητής νετρονίων θα πρέπει να εμπίπτουν κάπου εντός αυτού του εύρους.
Εάν δεν ακούει τίποτα παρά μόνο στατικό, το ADMX δεν θα διαψεύσει την ύπαρξη axions. Οι συχνότητες λίγων gigahertz ταιριάζουν με τα πιο απλά σχήματα σκοτεινής ύλης, αλλά ορισμένοι θεωρητικοί έχουν μαγειρέψει πιο περίπλοκες συνταγές. Και αν η σκοτεινή ύλη είναι ένας συνδυασμός αξόνων και κάτι άλλο, τα αξιόνια θα μπορούσαν να εκτείνονται σε εύρος μάζας που υπερβαίνει τις 10 τάξεις μεγέθους.
Αλλά καθώς άλλοι πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι σκοτεινής ύλης αποτυγχάνουν να υλοποιηθούν, περισσότερες πειραματικές ομάδες στρέφονται στα άξιον. Μερικοί αναπτύσσουν επίγειες μαγνητικές συσκευές όπως το ADMX, ενώ άλλοι σχεδιάζουν να σαρώσουν τα ραδιοκύματα που προέρχονται από τους ισχυρότερους μαγνήτες της φύσης - τα αστέρια νετρονίων. Μαζί αυτές οι ομάδες μπορεί κάποια μέρα να καλύψουν τις περισσότερες από τις πιθανές συχνότητες.
Μια ανακάλυψη θα ξαναέγραφε οριστικά τους νόμους της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας, αλλά σήμερα τα άξιον παραμένουν εντελώς υποθετικά. Η Κουίν νιώθει ταπεινωμένη που οι σκέψεις της έχουν ξεκινήσει ένα τόσο τρομερό πάρτι αναζήτησης. «Ο Ρομπέρτο και εγώ περάσαμε μερικούς μήνες φτιάχνοντας αυτή τη θεωρία», είπε, «και τώρα οι πειραματιστές έχουν περάσει 40 χρόνια αναζητώντας την».
