Ο ανιχνευτής διαστημικού σταθμού αναφέρει περισσότερες ενδείξεις σκοτεινής ύλης—ή όχι

Νέες αναφορές για περαιτέρω στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη έχουν υπερβληθεί σε μεγάλο βαθμό. Χθες, ερευνητές που εργάζονταν με το Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), έναν ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων 2 δισεκατομμυρίων δολαρίων που συνδέεται με τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, ανέφεραν τα τελευταία τους δεδομένα για μια υποτιθέμενη περίσσεια ποζιτρονίων υψηλής ενέργειας από το διάστημα. Υποστήριξαν -τουλάχιστον σε ένα δελτίο τύπου- ότι τα νέα αποτελέσματα θα μπορούσαν να προσφέρουν νέους υπαινιγμούς ότι έχουν ανιχνεύσει σωματίδια σκοτεινής ύλης, το μυστηριώδες υλικό του οποίου η βαρύτητα δεσμεύει τους γαλαξίες. Αλλά αρκετοί φυσικοί των κοσμικών ακτίνων λένε ότι τα δεδομένα του AMS εξακολουθούν να είναι απολύτως συνεπή με πολύ πιο κοσμικές εξηγήσεις της περίσσειας. Και αμφιβάλλουν ότι η AMS μόνο θα λύσει το πρόβλημα.

Ο αρχηγός της ομάδας AMS, ο νομπελίστας Samuel Ting του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης στο Cambridge, φροντίζει να πει ότι τα νέα αποτελέσματα δεν αποδεικνύουν ότι το AMS έχει ανιχνεύσει τη σκοτεινή ύλη. Αλλά λέει επίσης ότι τα δεδομένα παρέχουν περισσότερη υποστήριξη σε αυτήν την ερμηνεία από ό,τι σε κάποιες άλλες. "Η βασική δήλωση είναι ότι δεν βρήκαμε αντίφαση με την εξήγηση της σκοτεινής ύλης", λέει.

Η διαμάχη επικεντρώνεται στη μέτρηση του λόγου κλειδιού του AMS, του αριθμού των ποζιτρονίων αντιύλης προς το άθροισμα των ποζιτρονίων και των ηλεκτρονίων. Τον Απρίλιο του 2013, η AMS επιβεβαίωσε πρώιμες αναφορές ότι καθώς η ενέργεια των σωματιδίων αυξανόταν πάνω από περίπου 8 γιγαηλεκτρονικά Volt (GeV), αυτή η αναλογία, ή «κλάσμα ποζιτρονίων», αυξήθηκε, ακόμη και όταν έπεφταν οι μεμονωμένες ροές ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Αυτή η αύξηση στη σχετική αφθονία των ποζιτρονίων θα μπορούσε να σηματοδοτήσει την παρουσία σωματιδίων σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με πολλές θεωρίες, εάν αυτά τα σωματίδια συγκρούονται, θα εξαφανίζονταν το ένα το άλλο για να δημιουργήσουν ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Αυτό θα άλλαζε την ισορροπία ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων μεταξύ των κοσμικών ακτίνων, καθώς η συνήθης πηγή, όπως τα υπολείμματα που μοιάζουν με σύννεφα από εκρήξεις σουπερνόβα, παράγουν πολύ περισσότερα ηλεκτρόνια από τα ποζιτρόνια.

Ωστόσο, αυτή η ερμηνεία ήταν σχεδόν βέβαιη. Ακόμη και πριν το AMS δημοσιοποιήσει τη μέτρησή του για την αναλογία, οι αστροφυσικοί είχαν υποστηρίξει ότι η περίσσεια ποζιτρονίων θα μπορούσε δυνητικά να προέρχεται από ένα μη ανιχνευμένο κοντινό πάλσαρ. Τον Νοέμβριο του 2013, ο Eli Waxman, θεωρητικός αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann στο Rehovot του Ισραήλ, και οι συνεργάτες του προχώρησαν ακόμη παραπέρα. Υποστήριξαν ότι η περίσσεια ποζιτρονίων θα μπορούσε να προέλθει απλώς από τις αλληλεπιδράσεις των «πρωταρχικών» κοσμικών ακτίνων από υπολείμματα σουπερνόβα με το διαστρικό μέσο. Αν ναι, τότε τα ποζιτρόνια ήταν απλώς «δευτερεύουσες» ακτίνες και δεν υπήρχε τίποτα για να γράψω.

Ωστόσο, οι ερευνητές της ομάδας AMS βλέπουν δύο νέα χαρακτηριστικά που συνάδουν με την ερμηνεία της σκοτεινής ύλης, ανέφεραν στο διαδίκτυο χθες στο Physical Review Letters . Πρώτον, η ομάδα AMS βλέπει τώρα ότι μετά την άνοδο με ενέργεια, το κλάσμα ποζιτρονίων φαίνεται να ισοπεδώνεται και μπορεί να αρχίσει να πέφτει σε ενέργεια 275 GeV, όπως θα ήταν αναμενόμενο εάν η περίσσεια παρήχθη από σύγκρουση σωματιδίων σκοτεινής ύλης, όπως το αρχικό Η μάζα των σωματιδίων θα έθετε ένα ανώτερο όριο στην ενέργεια του ποζιτρονίου που γέννησαν. Οι ερευνητές της AMS λένε ότι η ισοπέδωση θα ήταν σύμφωνη με ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης με μάζα 1 τεραηλεκτρον βολτ (TeV). (Χάρη στη διάσημη ισοδυναμία μάζας και ενέργειας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, τα δύο μπορούν να μετρηθούν στις ίδιες μονάδες.)

Δεύτερον, η ομάδα AMS μέτρησε τα φάσματα των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων ξεχωριστά. Βρήκαν ότι τα φάσματα έχουν διαφορετικά σχήματα καθώς αυξάνεται η ενέργεια. "Είναι πραγματικά εκπληκτικό ότι τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια είναι τόσο διαφορετικά", λέει ο Ting. Και, υποστηρίζει, η διαφορά υποδηλώνει ότι τα ποζιτρόνια δεν μπορούν να είναι δευτερεύουσες κοσμικές ακτίνες που παράγονται από ηλεκτρόνια πρωτογενών κοσμικών ακτίνων, καθώς μια τέτοια παραγωγή θα πρέπει να οδηγεί σε παρόμοια φάσματα.

Αλλά ορισμένοι φυσικοί των κοσμικών ακτίνων δεν είναι πεπεισμένοι. Για παράδειγμα, στο γράφημα του AMS του κλάσματος ηλεκτρονίων, οι ράβδοι σφάλματος στις υψηλότερες ενέργειες είναι μεγάλες επειδή τα σωματίδια υψηλής ενέργειας είναι τόσο σπάνια. Και αυτές οι αβεβαιότητες καθιστούν ασαφές εάν το κλάσμα ποζιτρονίων αρχίζει πραγματικά να πέφτει, λέει ο Stéphane Coutu, ένας φυσικός κοσμικών ακτίνων στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, στο University Park. Και ακόμη κι αν το κλάσμα ποζιτρονίων πέφτει σε ενέργειες υψηλότερες από τις αναφερόμενες στο AMS, αυτό δεν θα αποδείξει ότι τα ποζιτρόνια προέρχονται από εκμηδενισμούς της σκοτεινής ύλης, λέει ο Coutu. Μια τέτοια «αποκοπή» θα μπορούσε εύκολα να προκύψει σε ποζιτρόνια από ένα πάλσαρ, λέει, εάν η χωρική περιοχή στην οποία το πάλσαρ επιταχύνει τα σωματίδια είναι περιορισμένου μεγέθους. Συνολικά, τα νέα αποτελέσματα είναι "πιθανώς συνεπή με οτιδήποτε", λέει ο Coutu.

Ομοίως, ο Waxman αμφισβητεί τον ισχυρισμό του Ting ότι τα νέα δεδομένα υποδηλώνουν ότι τα ποζιτρόνια δεν είναι απλώς δευτερεύουσες κοσμικές ακτίνες. Εάν συνέβαινε αυτό, τότε τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια θα προέρχονταν από διαφορετικά μέρη και δεν θα υπήρχε λόγος να περιμένουμε τα φάσματα τους να είναι παρόμοια, λέει ο Waxman. Επιπλέον, σημειώνει, η μέτρηση του κλάσματος ποζιτρονίων από την AMS φαίνεται να ισοπεδώνεται ακριβώς στο όριο που ο ίδιος και οι συνάδελφοί του προέβλεψαν ότι θα ήταν το μέγιστο που θα μπορούσε να επιτευχθεί μέσω των δευτερογενών κοσμικών ακτίνων. Έτσι, στην πραγματικότητα, τα νέα δεδομένα υποστηρίζουν την ερμηνεία ότι τα ποζιτρόνια είναι απλώς δευτερεύουσες κοσμικές ακτίνες, λέει. "Για μένα αυτό είναι μια πολύ ισχυρή ένδειξη ότι βλέπουμε αλληλεπιδράσεις κοσμικών ακτίνων."

Θα τελειώσει ποτέ η διαφωνία; Η AMS έχει προγραμματιστεί να λαμβάνει δεδομένα για 10 ακόμη χρόνια, τα οποία θα επιτρέψουν στους επιστήμονες να μειώσουν τις αβεβαιότητες και να επεκτείνουν την εμβέλειά τους προς υψηλότερες ενέργειες, λέει ο Ting. «Πιστεύω ότι θα πρέπει να μπορούμε να φτάσουμε το 1 TeV με καλά στατιστικά στοιχεία», λέει, και αυτό θα πρέπει να είναι αρκετό για να διευθετηθεί τελικά η διαφορά. Αλλά ο Gregory Tarlé, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Michigan, Ann Arbor, λέει:«Δεν νομίζω ότι αυτό είναι εύλογος ισχυρισμός». Οι κοσμικές ακτίνες υψηλότερης ενέργειας φτάνουν σε τόσο χαμηλό ρυθμό που ακόμη και ο τετραπλασιασμός του συνόλου δεδομένων θα άφηνε μεγάλες στατιστικές αβεβαιότητες, λέει. Έτσι, υποψιάζεται ο Tarlé, χρόνια από τώρα τα αποτελέσματα του AMS θα φαίνονται πιθανότατα τόσο διφορούμενα όσο τώρα.