Επιστημονική εργασία δεκαετιών μπορεί να περιέχει ενδείξεις για τη σκοτεινή ύλη
Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο οι βιβλιοθήκες κολλάνε σε παλιά επιστημονικά περιοδικά:Μια εργασία από ένα πείραμα που διεξήχθη πριν από 32 χρόνια μπορεί να ρίξει φως στη φύση της σκοτεινής ύλης, του μυστηριώδους υλικού του οποίου η βαρύτητα φαίνεται να εμποδίζει τους γαλαξίες να πετάξουν χώρια. Τα παλιά δεδομένα περιορίζουν τη νέα ιδέα ενός "σκοτεινού φωτονίου" και υποδηλώνουν ότι ένα απλό πείραμα με βάση την ευκαιρία θα μπορούσε να δοκιμάσει την ιδέα.
Κανείς δεν ξέρει πραγματικά τι είναι η σκοτεινή ύλη. Από τη δεκαετία του 1980, η καλύτερη άποψη των θεωρητικών ήταν ότι αποτελείται από τα λεγόμενα ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια ή WIMP. Εάν υπάρχουν, τα WIMP θα έχουν μάζα μεταξύ μίας και 1000 φορές μεγαλύτερης αυτής ενός πρωτονίου. Θα αλληλεπιδρούσαν μόνο μέσω της αδύναμης αδύναμης πυρηνικής δύναμης - μιας από τις δύο δυνάμεις της φύσης που συνήθως κάμπτουν τους μυς τους μόνο μέσα στον ατομικό πυρήνα - και θα μπορούσαν να εξαφανιστούν μόνο με σύγκρουση και εκμηδένιση η μια την άλλη. Έτσι, αν το βρεφικό σύμπαν μαγείρευε πολλά WIMP, αρκετά από αυτά θα επιβίωναν φυσικά για να παράγουν τη σωστή ποσότητα σκοτεινής ύλης σήμερα. Αλλά οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη εντοπίσει τα WIMP, τα οποία κάθε τόσο θα πρέπει να εκπέμπουν ατομικούς πυρήνες σε ευαίσθητους ανιχνευτές και να τους στέλνουν να πετάξουν.
Πιο πρόσφατα, οι θεωρητικοί έχουν εξερευνήσει άλλες ιδέες, όπως η αυτο-αλληλεπιδρώντας σκοτεινή ύλη. Αυτό θα αποτελείται από ένα σωματίδιο, γνωστό ως χ (προφέρεται chi), με μάζα μεταξύ 1/1000 και μία φορά αυτής του πρωτονίου. Αυτά τα σωματίδια θα αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους μέσω μιας δύναμης όπως η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η οποία παράγει φως. Αυτή η δύναμη θα μεταφερόταν από ένα τεράστιο σωματίδιο που ονομάζεται σκοτεινό φωτόνιο - μια εκδοχή της σκοτεινής ύλης ενός σωματιδίου φωτός - που θα μπορούσε να "αναμιγνύεται" ελαφρώς με τα συνηθισμένα. Έτσι, με μικρή πιθανότητα, ένα σκοτεινό φωτόνιο μπορεί να αλληλεπιδράσει με συνηθισμένα φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και οι ατομικοί πυρήνες—όπως ακριβώς κάνουν τα συνηθισμένα φωτόνια.
Η σκοτεινή ύλη που αλληλεπιδρά με τον εαυτό της έχει ελκυστικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα, ένα σκοτεινό φωτόνιο θα μπορούσε επίσης να εξηγήσει ένα παζλ σωματιδιακής φυσικής. Ένα σωματίδιο που ονομάζεται μιόνιο φαίνεται να είναι πολύ ελαφρώς πιο μαγνητικό από ό,τι προβλέπει η θεωρία, και αυτή η απόκλιση θα μπορούσε να επιλυθεί εάν το μιόνιο αλληλεπιδράσει με σκοτεινά φωτόνια που κρύβονται στο κενό. Ωστόσο, τα χs και τα σκοτεινά φωτόνια θα ήταν δύσκολο να ανιχνευθούν με τους ανιχνευτές WIMP. με τις χαμηλές μάζες τους, δεν μπορούσαν να χτυπήσουν έναν πυρήνα αρκετά δυνατά για να δημιουργήσουν ένα σήμα.
Όμως τα αρχειακά δεδομένα ήδη αποκλείουν τα σκοτεινά φωτόνια με ορισμένους συνδυασμούς ιδιοτήτων, υποστηρίζει ο Ρουβέν Έσιγκ, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Stony Brook στη Νέα Υόρκη, και οι συνεργάτες του. Τα δεδομένα προέρχονται από το E137, ένα πείραμα "beam dump" που διεξήχθη από το 1980 έως το 1982 στο SLAC National Accelerator Laboratory στο Menlo Park της Καλιφόρνια. Στο πείραμα, οι φυσικοί χτύπησαν μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, που είχαν απομείνει από άλλα πειράματα, σε έναν στόχο αλουμινίου για να δουν τι θα βγει. Οι ερευνητές τοποθέτησαν έναν ανιχνευτή 383 μέτρα πίσω από τον στόχο, στην άλλη πλευρά ενός λόφου από ψαμμίτη πάχους 179 μέτρων που εμπόδιζε κάθε συνηθισμένο σωματίδιο. Έπειτα αναζήτησαν υποθετικά σωματίδια που ονομάζονται άξιον, τα οποία θα είχαν διαπεράσει τη γη και θα έφταναν στον ανιχνευτή—και δεν είδαν κανένα.
Αλλά τα ηλεκτρόνια που χτυπούσαν τον στόχο θα έπρεπε επίσης να έχουν δημιουργήσει μια δέσμη χs υψηλής ενέργειας. Ένα χ θα μπορούσε να διασχίσει το λόφο και να αλληλεπιδράσει με ένα ηλεκτρόνιο στον ανιχνευτή μέσω ενός σκοτεινού φωτονίου, ανατινάζοντάς το σε κίνηση. Το γεγονός ότι το E137 δεν είδε ηλεκτρόνια ανάκρουσης επέτρεψε στον Essig και τους συναδέλφους του να εντοπίσουν μερικούς πιθανούς συνδυασμούς της μάζας του σκοτεινού φωτονίου και της ισχύος της ανάμειξής του με συνηθισμένα φωτόνια, όπως αναφέρουν αυτή την εβδομάδα στο Physical Review Letters . Τα αποτελέσματα δεν αποδεικνύουν ότι το σκοτεινό φωτόνιο δεν μπορεί να υπάρξει καθόλου, αλλά θέτουν όρια στις πιθανές ιδιότητές του.
Άλλοι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει αρχειακά δεδομένα για να δοκιμάσουν νέες θεωρίες της σκοτεινής ύλης. Πέρυσι, ο Philip Schuster, θεωρητικός στο Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo του Καναδά, και ένας συνάδελφός του χρησιμοποίησαν το αποτέλεσμα από ένα άλλο πείραμα απόρριψης δέσμης στο SLAC που διεξήχθη το 1994 και το 1995 για να διερευνήσουν τη σκοτεινή ύλη που αλληλεπιδρά με τον εαυτό του. Αλλά το πείραμα millicharge, ή mQ, ήταν ευαίσθητο στο χs που στέλνει ατομικούς πυρήνες να πετούν και έθεσε κάπως πιο χαλαρά όρια. "Το όριο ανάκρουσης ηλεκτρονίων φαίνεται λίγο καλύτερο", λέει ο Schuster.
Με ορισμένες υποθέσεις, η ανάλυση δεν ευνοεί ένα σκοτεινό φωτόνιο με τις ιδιότητες που απαιτούνται για να εξηγηθεί ο μαγνητισμός του μιονίου. Αλλά αυτές οι υποθέσεις θα μπορούσαν να χαλαρώσουν και η ιδέα να δοκιμαστεί πιο διεξοδικά με ένα νέο πείραμα, λέει ο Schuster. Αυτός και περίπου 80 άλλοι φυσικοί ελπίζουν να κατασκευάσουν ένα νέο πείραμα χωματερής δέσμης που ονομάζεται BDX, το οποίο θα εξέταζε 100 φορές περισσότερα γεγονότα από το E137. Έχουν υποβάλει μια επιστολή προθέσεων στην Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντή Thomas Jefferson στο Newport News της Βιρτζίνια, αν και το πείραμα θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί αλλού.
Σε σύγκριση με ορισμένα πειράματα σωματιδιακής φυσικής, το BDX θα ήταν μικρό και φθηνό, λέει ο Marco Battaglieri του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής της Ιταλίας στη Γένοβα και συν-εκπρόσωπος της ομάδας BDX. «Δεν μιλάμε για χιλιάδες τόνους ανιχνευτή», λέει. «Μιλάμε για έναν ανιχνευτή 1 τόνου». Το BDX θα κόστιζε μερικά εκατομμύρια δολάρια, λέει ο Battaglieri.
Η μελέτη προτείνει επίσης ότι δεν είναι τόσο εύκολο να ονειρευόμαστε μοντέλα σκοτεινής ύλης που δεν προσκρούουν σε δεδομένα που έχουν ήδη ληφθεί, λέει ο Schuster:"Όλα αυτά πρέπει να γίνονται με ένα πολύ σφιχτό ζουρλομανδύα."
