Σε αναζήτηση για αόρατη σκοτεινή ύλη, οι φυσικοί στρέφονται στο βασίλειο των σκιών

Οι επιστήμονες που κυνηγούν αόρατη σκοτεινή ύλη κοιτούν βαθύτερα στις σκιές. Με τις αναζητήσεις για μια ευνοούμενη υποψήφια σκοτεινή ύλη - τα ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια (WIMPs) - να εμφανίζονται κενές, οι φυσικοί στρέφονται τώρα στον υποθετικό "σκοτεινό τομέα":ένα ολόκληρο σκιερό βασίλειο κρυμμένων σωματιδίων. Η έννοια "διαπέρασε εδώ και 7 ή 8 χρόνια, αλλά έρχεται πραγματικά στο προσκήνιο τώρα", λέει ο Jonathan Feng, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine (UCI).

Αυτή την εβδομάδα, οι φυσικοί θα συναντηθούν στο Πανεπιστήμιο του Maryland, College Park, για ένα εργαστήριο, που χρηματοδοτείται από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), για να σκεφτούν ιδέες για ένα πιθανό πείραμα σκοτεινής ύλης 10 εκατομμυρίων δολαρίων που θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί τα επόμενα χρόνια . Η προσπάθεια θα συμπληρώσει τα τρέχοντα πειράματα του οργανισμού, συμπεριλαμβανομένης της ναυαρχίδας αναζήτησης WIMP, LZ, ενός υπόγειου ανιχνευτή 76 εκατομμυρίων δολαρίων υπό κατασκευή στο Lead της Νότιας Ντακότα. Και πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι το DOE θα πρέπει να επικεντρωθεί στον σκοτεινό τομέα. Ο Jim Siegrist, αναπληρωτής διευθυντής της DOE για τη φυσική υψηλής ενέργειας στην Ουάσιγκτον, λέει ότι στόχος είναι να καλυφθεί οποιοδήποτε κενό στις αναζητήσεις της DOE για τη σκοτεινή ύλη, η οποία αποτελεί το 85% της ύλης του σύμπαντος:«Υπάρχει κάτι που μας λείπει ?"

Τα WIMP, που ονειρεύτηκαν τη δεκαετία του 1980, κάποτε φαινόταν ο τέλειος υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη, η οποία διαμορφώνει το ορατό σύμπαν με τη βαρύτητά του. Τα WIMP θα ζύγιζαν μερικές εκατοντάδες φορές περισσότερο από ένα πρωτόνιο και θα αλληλεπιδρούσαν μόνο μέσω της βαρύτητας και της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Ένας απλός υπολογισμός υποδηλώνει ότι αρκετά από αυτά θα πρέπει να παραμείνουν από τη Μεγάλη Έκρηξη για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη σήμερα - ένα σημείο πώλησης γνωστό ως «θαύμα WIMP». Επιπλέον, τα WIMP εμφανίζονται φυσικά σε πολλές εκδόσεις της υπερσυμμετρίας, μια ιδέα που λύνει βασικά τεχνικά προβλήματα στο τυπικό μοντέλο των γνωστών σωματιδίων. Ωστόσο, οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη εντοπίσει WIMP που προσκρούουν σε ατομικούς πυρήνες σε υπόγειους ανιχνευτές. Και ο ισχυρότερος θρυμματιστής ατόμων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στην Ελβετία, δεν έχει δει κανένα σημάδι υπερσυμμετρίας ή WIMP.

Οι μη εμφανίσεις έχουν οδηγήσει τους φυσικούς να στραφούν στον σκοτεινό τομέα. Υποθέτουν ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται όχι από ένα μόνο μαζικό σωματίδιο προσκολλημένο στο τυπικό μοντέλο, αλλά από ένα πλήθος ελαφρύτερων σωματιδίων και δυνάμεων με αδύναμες συνδέσεις με γνωστά σωματίδια (δείτε την εικόνα). Για παράδειγμα, στο γνωστό σύμπαν, τα φωτόνια χωρίς μάζα μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. στον σκοτεινό τομέα, ένα τεράστιο σκοτεινό φωτόνιο θα μετέφερε μια σκοτεινή εκδοχή του ηλεκτρομαγνητισμού. Οι θεωρητικοί γενικά αναμένουν ότι τα συνηθισμένα και τα σκοτεινά φωτόνια θα συμπλέκονται ή θα «αναμιγνύονται». Πολύ σπάνια, λοιπόν, μια αλληλεπίδραση σωματιδίων που κανονικά θα παρήγαγε ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας θα παρήγαγε ένα σκοτεινό φωτόνιο.

Τα μποζόνια Higgs και τα νετρίνα θα συνδεθούν παρόμοια με τον σκοτεινό τομέα. Χάρη σε αυτές τις πύλες, το βρεφικό σύμπαν θα έπρεπε να έχει παράγει τη σωστή ποσότητα σκοτεινής ύλης, όπως στο θαύμα WIMP.

Τα σωματίδια του σκοτεινού τομέα θα ήταν πολύ ελαφρύτερα από τα WIMP - μικρότερα από τη μάζα ενός πρωτονίου - έτσι οι φυσικοί δεν χρειάζονται την ενέργεια του LHC για να τα εκτινάξουν στην ύπαρξη. Μια πολύ χαμηλότερη ενέργεια αλλά έντονη δέσμη ηλεκτρονίων θα μπορούσε να κάνει το κόλπο. Όταν τα ηλεκτρόνια προσκρούουν σε έναν στερεό στόχο, ακτινοβολούν άφθονα φωτόνια—και περιστασιακά θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα σκοτεινό φωτόνιο.

Στις σκιές

Το Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) στην Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντή Thomas Jefferson στο Newport News της Βιρτζίνια, υποστηρίζει ακριβώς τέτοια πειράματα σταθερού στόχου. Το 2010, οι φυσικοί στο A Prime Experiment στο CEBAF αναζήτησαν —χωρίς επιτυχία— για σκοτεινά φωτόνια που διασπώνται σε ενδεικτικά ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Πέρυσι, οι φυσικοί στο Heavy Photon Search χρησιμοποίησαν το CEBAF για να προσπαθήσουν ξανά. Σε μελλοντικά πειράματα επιταχυντών, οι φυσικοί θα μπορούσαν απλώς να παρακολουθούν τα διασκορπισμένα ηλεκτρόνια, αναζητώντας μια χαρακτηριστική στροφή στην τροχιά ενός ηλεκτρονίου που θα προέκυπτε όταν εκπέμπει ένα σκοτεινό φωτόνιο.

Ή, όπως συμβαίνει με τους ανιχνευτές WIMP, οι φυσικοί θα μπορούσαν να προσπαθήσουν να ανιχνεύσουν σωματίδια του σκοτεινού τομέα που παρασύρονται στην περιοχή της Γης. Επειδή τα WIMP είναι βαριά, οι φυσικοί τα αναζητούν αναζητώντας την ανάκρουση βαρέων ατομικών πυρήνων όπως εκείνοι στο υγρό ξένο. Αυτή η τεχνική δεν θα λειτουργήσει για πολύ ελαφρύτερα σωματίδια σκοτεινού τομέα, τα οποία θα αναπηδούσαν από έναν βαρύ πυρήνα όπως οι μπάλες του πινγκ πονγκ από μια μπάλα μπόουλινγκ.

Αντίθετα, οι φυσικοί θα μπορούσαν να αναζητήσουν την ανάκρουση των μυρωδικών ηλεκτρονίων, ίσως σε μια συσκευή παρόμοια με έναν υπάρχοντα ανιχνευτή WIMP, λέει η Kathryn Zurek, θεωρητικός στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley στην Καλιφόρνια. Ή θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα παγωμένο λουτρό ελαφρών πυρήνων σε «υπερρευστό» ήλιο και να αναζητήσουν μικροσκοπικές κβαντικές δονήσεις που προκαλούνται από τις συγκρούσεις. Μια άλλη επιλογή θα ήταν να αναζητήσετε τη θραύση ζευγών ηλεκτρονίων που ρέουν ελεύθερα σε ένα υπεραγώγιμο μέταλλο. Εν μέρει επειδή τα σωματίδια της φωτεινής σκοτεινής ύλης θα ήταν περισσότερα από τα WIMP, ένας ανιχνευτής για αυτά θα μπορούσε να είναι πολύ μικρότερος και φθηνότερος από έναν ανιχνευτή WIMP, λέει ο Zurek. Το LZ θα περιέχει 7 μετρικούς τόνους υγρού ξένου, ενώ ένας ανιχνευτής για σωματίδια ελαφριάς σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να ζυγίζει ένα κιλό, εκτιμά.

Μετά το εργαστήριο, οι φυσικοί θα παρουσιάσουν τις ιδέες τους σε μια λευκή βίβλο που θα εξετάσει η DOE τους επόμενους μήνες - αν και ο Siegrist προειδοποιεί ότι τα 10 εκατομμύρια δολάρια δεν είναι εγγυημένα. Κάποιοι ελπίζουν ότι ο οργανισμός θα πραγματοποιήσει γρήγορα ένα πείραμα «έτοιμο για φτυάρι», ιδιαίτερα μια προσπάθεια που βασίζεται σε επιταχυντή που θα αναζητήσει το σκοτεινό φωτόνιο με τη μέθοδο της στρεβλής τροχιάς. «Για 10 εκατομμύρια δολάρια θα μπορούσατε να φτιάξετε έναν πολύ ωραίο ανιχνευτή και να τον τοποθετήσετε δίπλα σε έναν υπάρχοντα επιταχυντή», λέει ο Timothy Tait, θεωρητικός της UCI. Άλλοι θα προτιμούσαν να αναπτύξουν τεχνικές για την άμεση ανίχνευση της ελαφριάς σκοτεινής ύλης, ακόμα κι αν χρειάζεται περισσότερος χρόνος για την πραγματοποίηση ενός πειράματος. "Ελπίζω πραγματικά ότι αυτή η Ε&Α μπορεί να είναι μέρος του προγράμματος", λέει ο Zurek.

Η JoAnne Hewett, θεωρητικός στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC στο Menlo Park της Καλιφόρνια, λέει ότι ελπίζει ότι το DOE θα αδράξει την ευκαιρία να ξεκινήσει όχι μόνο ένα πείραμα, αλλά ένα πιο ολοκληρωμένο πρόγραμμα 10 έως 15 ετών για να διερευνήσει τον σκοτεινό τομέα. Τέτοια πειράματα «καλύπτουν ένα πολύ σημαντικό φάσμα και είναι φθηνά», λέει. "Τους κάνει πραγματικά πειράματα που πρέπει να κάνουν."