Πειράματα για την αναζήτηση των αξιονίων - υποψήφια συστατικά της σκοτεινής ύλης

Άρθρο, Ιούλιος 2006:

Μια ομάδα φυσικών - στο Εθνικό Ίδρυμα Πυρηνικής Φυσικής (INFN) της Ιταλίας - με επικεφαλής τους Emilio Zavattini και Giovanni Cantator, δημοσίευσε πρόσφατα στο περιοδικό Physical Review Letters ότι σε ένα πείραμα, το PVLAS, είχαν ένα ασυνήθιστο σήμα. Σαν καλοί αλλά δύσπιστοι επιστήμονες που είναι, η ομάδα αυτή έχει περάσει τα δύο προηγούμενα χρόνια προσπαθώντας να εξηγήσει το σήμα, για παράδειγμα αν παράγεται ή όχι από τα ίδια τα όργανα. Μέχρι τώρα, εντούτοις, έχουν αποτύχει σε τούτη την προσπάθειά τους. Εάν το σήμα συνεχίσει να μην δικαιολογείται τότε πρόκειται να αποτελεί την απόδειξη για ένα εξωτικό νέο είδος θεμελιώδους σωματιδίου, γνωστού ως αξιονίου, που ίσως είναι ένας ακόμα τύπος της σκοτεινής ύλης.

Τα σωματίδια αυτά - που ενδεχομένως παρήχθησαν κατά τη Μεγάλη Έκρηξη και θα μπορούσαν να ελλοχεύουν ολόγυρα μας - είναι όχι μόνο μικροσκοπικά αλλά και άπιαστα σωματίδια που αλληλεπιδρούν 10¹⁰ πιο ασθενικά με την ύλη από ό,τι το νετρίνο, του οποίου η ανίχνευση ήδη είναι πολύ δύσκολη. Τα αξιόνια - αν υπάρχουν - θα διαθέτουν μια εξαιρετικά μικρή μάζα της τάξεως 10⁻⁶ έως 10⁻² eV/c² — δηλαδή μικρότερη του 1 εκατομμυριοστού εκείνης του ηλεκτρονίου — και θα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα για να αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη, γεγονός που δυσχεραίνει την ανίχνευση τους.

Ίσως να παράγονται στον ήλιο και έτσι να μας διαπερνούν απ' άκρη σ' άκρη, ενώ οι φυσικοί προβλέπουν ότι πολύ μικρό κλάσμα ενός πλήθους φωτονίων που διαπερνούν κάποιο μαγνητικό πεδίο μετατρέπεται σε αξιόνια. (Με αυτόν ακριβώς τον τρόπο προβλέπεται ότι παράγονται στον Ήλιο.)

Το όνομα τους το έχουν δανειστεί από ένα απορρυπαντικό πλυντηρίου ρούχων και μάλιστα είχε προταθεί αρχικά για να 'καθαρίσουν' οι φυσικοί με ένα πρόβλημα της σωματιδιακής φυσικής. Συγκεκριμένα ήθελαν να εξηγήσουν για ποιο λόγο η ισχυρή πυρηνική δύναμη διατηρεί τη λεγόμενη συμμετρία CP, η οποία συσχετίζει τις ιδιότητες των σωματιδίων με των αντισωματιδίων. Υπολογισμοί στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής έδειχναν ότι η ισχυρή δύναμη θα διατηρούσε τη συμμετρία CP μόνο εφόσον μια συγκεκριμένη παράμετρος της θεωρίας μηδενιζόταν, ωστόσο εξαιτίας κβαντικών φαινομένων η τιμή της παραμέτρου αυτής φαίνεται ότι δεν είναι μηδέν. Η Helen Quinn και ο Roberto Peccei στο πανεπιστήμιο του Stanford έδειξαν ότι, ανάγοντας την παράμετρο αυτή σε κβαντικό πεδίο, η τιμή του θα μηδενιζόταν μέσω κάποιας φυσικής διαδικασίας. Απόρροια του νέου πεδίου, όμως, θα ήταν η ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου —του αξιονίου.

Πρέπει να σημειωθεί ότι η ύπαρξη των αξιονίων είναι επίσης ένα απαραίτητο συστατικό της θεωρίας χορδών, ενώ στις θεωρίες της υπερσυμμετρίας το αξιόνιο έχει και  βαθμωτό και φερμιονικό υπερ-ταίρι. Το φερμιονικό υπερ-ταίρι του είναι το αξίνο ενώ το βαθμωτό ονομάζεται s-άξιον.

Το πείραμα

Το ίδιο το πείραμα είναι απλό. Η ομάδα στέλνει μια ακτίνα λέιζερ μέσω ενός κενού στο κέντρο ενός ισχυρού μαγνήτη 5 Tesla. Το φως του λέιζερ είναι πολωμένο, που σημαίνει ότι δονείται περισσότερο σε μια κατεύθυνση από μια άλλη. Όταν το φως αναδύεται από την άλλη πλευρά του μαγνήτη, η ομάδα μετρά την πόλωσή του για να δει τι έχει συμβεί κατά το πέρασμά του από το μαγνητικό πεδίο.

Μια δέσμη λέιζερ περνά μέσα από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, οπότε μερικά φωτόνια της μετατρέπονται σε αξιόνια [πράσινη δέσμη). Τα αξιόνια αυτά διαπερνούν έναν τοίχο, και στη συνέχεια διέρχονται μέσα από ένα άλλο μαγνητικό πεδίο, το οποίο μετατρέπει μερικά από αυτά και πάλι σε φωτόνια. Αυτά δημιουργούν μια εξαιρετικά αμυδρή κηλίδα σε έναν άλλο, απομακρυσμένο τοίχο.
 

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, η διαφορά θα πρέπει να είναι πολύ μικρή, γιατί το φως έχει περάσει απλά μέσα από το κενό διάστημα. Αντίθετα ο Δρ Zavattini και οι συνάδελφοί του διαπίστωσαν ότι η κατεύθυνση στην οποία δονείται το αναδυόμενο φως, περιστρέφεται πάντα πολύ ελαφρώς από την αρχική ευθυγράμμισή της. Η επίδραση είναι τόσο μικρή, το επίπεδο πόλωσης της δέσμης μετρήθηκε να έχει στραφεί κατά 10 εκατομμυριοστά της μοίρας αφού πρώτα η δέσμη παλινδρόμησε 40.000 φορές μέσα σε ένα εξαιρετικά ισχυρό μαγνητικό πεδίο, και η μέτρηση τόσο ακριβής - που μια παρόμοια περιστροφή στο λεπτοδείχτη θα αντιπροσώπευε ένα δισεκατομμυριοστό του ενός δευτερολέπτου.

Αν και η στροφή είναι πολύ μικρή μπορεί να είναι η απόδειξη για έναν ολοκαίνουργιο τύπο σωματιδίου, του αόρατου αξιονίου, που αναδύεται μετά από την εξαφάνιση μερικών φωτονίων. Από τα δεδομένα που συνέλεξε η ομάδα του Zavattini συμπέρανε τη μάζα των αξιονίων και το πόσο ισχυρά αλληλεπιδρούν.

Το ίδιο το φως φυσικά αποτελείται από τα φωτόνια. Το μαγνητικό πεδίο στο πείραμα αποτελείται επίσης από φωτόνια, που σε αντίθεση με αυτά του φωτός, 'τρεμοπαίζουν' συνεχώς ανάμεσα στην ύπαρξη και τη μη ύπαρξη. Εάν το σήμα που έχει βρει ο Zavattini δεν είναι εξ αιτίας της συσκευής, τότε η πλέον πιθανή εξήγησή του είναι ότι τα φωτόνια από το λέιζερ αλληλεπιδρούν με τα φωτόνια του μαγνητικού πεδίου με έναν τρόπο που παράγει αξιόνια.

Αντίθεση με άλλα πειράματα

Εν τούτοις, η ζωή δεν είναι ποτέ τόσο απλή. Ένα σωματίδιο με τις ιδιότητες που το πείραμα PVLAS (Πόλωση του Κενού Μέσω Λέιζερ) μπορεί να είχε παρατηρήσει έρχεται σε αντίθεση με διάφορα αστροφυσικά πειράματα. Δεδομένου ότι τα αξιόνια μπορούν να παραχθούν από το φως, ο ήλιος και άλλα αστέρια πρέπει να τα παραγάγουν συνεχώς.

Δυστυχώς, κανένας μας δεν έχει δει τέτοια σωματίδια άμεσα. Και μάλιστα διάφορα πειράματα, που ψάχνουν για αξιόνια υποψήφια συστατικά της σκοτεινής ύλης, έχουν αποτύχει να τα παρατηρήσουν. Επιπλέον, τα αποτελέσματα από το πείραμα δεν εναρμονίζονται με πειράματα σαν το Ηλιακό Τηλεσκόπιο Αξιονίων τού CERN (CAST), που λειτουργώντας επί 6 μήνες κατά το 2003, απέτυχε να ανιχνεύσει αξιόνια προερχόμενα από τον Ήλιο.

Το αποτέλεσμα αυτό φαινομενικά αποκλείει ένα μεγάλο σύνολο δυνατών μαζών και εντάσεων αλληλεπίδρασης, συμπεριλαμβανομένων και των τιμών που παρατηρήθηκαν στο πλαίσιο του PVLAS. Επιπλέον, αν τα αξιόνια αλληλεπιδρούν τόσο ισχυρά όσο υποδηλώνεται από το PVLAS, θα έπρεπε να παράγονται κατά μεγάλες ποσότητες στα άστρα, αναγκάζοντας τα να γεράσουν πολύ πιο γρήγορα απ' όσο γνωρίζουμε.

Για να μην υπάρχει πρόβλημα η ομάδα χρησιμοποίησε αργότερα στο πείραμα της ένα διαφορετικό λέιζερ αλλά πήρε αποτελέσματα συνεπή με τα προηγούμενα. Μερικοί δε θεωρητικοί έχουν ήδη προτείνει διάφορους τρόπους ώστε τα αποτελέσματα από το PVLAS να εναρμονισθούν τελικά με εκείνα του CAST, καθώς και με άλλα αστροφυσικό όρια.

Διέλευση του φωτός μέσα από αδιαφανή τοίχο

Για να βοηθήσουν στη λύση του ζητήματος αυτού, ο Raul Rabadan του Ιδρύματος για Προηγμένη Μελέτη στο Princeton και οι συνάδελφοί του προτείνουν, μια ανεξάρτητη δοκιμή που θα μπορούσε να αρχίσει στο τέλος αυτού του έτους, και που περιγράφεται ως διέλευση φωτός μέσα από αδιαφανή τοίχο.

Αυτοί προτείνουν να διέλθει μια ακτίνα X πρώτα μέσα από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, έπειτα μέσα σε ένα παχύ τοίχωμα υλικού που να είναι αδιαφανές στις ακτίνες X, και έπειτα μέσω ενός άλλου μαγνητικού πεδίου. Δεδομένου ότι ο τοίχος είναι αδιαφανής, πρέπει να κόβει τις ακτίνες X εντελώς.

Πάντως, επειδή οι ακτίνες X είναι φωτόνια υψηλής ενέργειας, εάν το πείραμα PVLAS παράγει όντως αξιόνια, τότε μερικά από αυτά τα φωτόνια θα πρέπει επίσης να μετατρέπονται σε αξιόνια κατά το δρόμο τους. Και σε αντίθεση με τα φωτόνια, τα αξιόνια θα περνούσαν κατευθείαν μέσω του τοιχώματος προς την άλλη πλευρά. Αν υπήρχαν λοιπόν, τότε ένα μικρό κλάσμα αυτών θα μπορούσε να μετατραπεί πάλι σε ανιχνεύσιμα φωτόνια ακτίνων X, με τη βοήθεια του δεύτερου μαγνήτη.

Αν και ένα τέτοιο πείραμα δεν θα ήταν φτηνό, θα χρησιμοποιούσε ένα μεγάλο και ισχυρό μαγνήτη και ευαίσθητους ανιχνευτές φωτονίων, δεν θα απαιτούσε όμως μια διάταξη ανάλογη με τον επιταχυντή του Fermilab για να τα φέρει στην επιφάνεια. 

Πηγές: Wikipedia, PhysicsWeb, CERN, Scientific American