Τώρα που έχουν εντοπίσει το μποζόνιο Higgs, οι επιστήμονες στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων έχουν στρέψει το βλέμμα τους σε έναν ακόμη πιο αόριστο στόχο, την σκοτεινή ύλη. Και μια νέα δημοσίευση περιγράφει μια μέθοδο για την άμεση ανίχνευση σωματιδίων από τον «σκοτεινό κόσμο» χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή LHC. Μέχρι τώρα μπορούμε μόνο να κάνουμε έμμεσες μετρήσεις και προσομοιώσεις, όπως η απεικόνιση της σκοτεινής ύλης στην εικόνα.
Παντού γύρω μας βρίσκεται η σκοτεινή ύλη – την αόρατη ουσία που συγκρατεί τους γαλαξίες για να μην διαλύσουν, αλλά κανείς δεν κατάφερε να την εντοπίσει άμεσα. “Γνωρίζουμε σίγουρα ότι υπάρχει ένας σκοτεινός κόσμος, όπως και υπάρχει περισσότερη ενέργεια (σκοτεινή) απ ‘ότι υπάρχει στην αντίληψη μας”, δήλωσε ο LianTao Wang, καθηγητής φυσικής του Πανεπιστημίου του Σικάγο, ο οποίος μελετά πώς να βρει σημάδια σκοτεινής ύλης σε μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων όπως ο LHC.
Ο Wang μαζί με επιστήμονες του Σικάγου και του Fermilab, πιστεύουν ότι μπορούν να μας οδηγήσουν στα ίχνη του. Και σε μία δημοσίευση τους στο περιοδικό Physical Review Letters , ανέπτυξαν μια καινοτόμο μέθοδο για την καταδίωξη της σκοτεινής ύλης στο LHC αξιοποιώντας την ελαφρώς βραδύτερη ταχύτητα ενός υποθετικού σωματιδίου.
Ενώ ο σκοτεινός κόσμος αποτελεί πάνω από το 95% του σύμπαντος, οι επιστήμονες γνωρίζουν μόνο ότι υπάρχει από την δράση και τα αποτελέσματά του. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη επειδή μπορούμε να δούμε τη βαρύτητα που επιδρά ώστε να συγκρατηθούν οι γαλαξίες και να μην διαλυθούν.
Οι θεωρητικοί πιστεύουν ότι υπάρχει ένα συγκεκριμένο είδος σκοτεινού σωματιδίου που μόνο περιστασιακά αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη. Θα ήταν βαρύτερο και πιο μακρόβιο από άλλα γνωστά σωματίδια, με διάρκεια ζωής έως και 1/10 του δευτερολέπτου. Λίγες φορές σε μια δεκαετία, πιστεύουν οι ερευνητές, αυτό το σωματίδιο μπορούσε να παγιδευτεί στις συγκρούσεις πρωτονίων που ο LHC δημιουργεί και μετρά συνεχώς.
“Μία ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα πιθανότητα είναι ότι αυτά τα μακρόβια σκοτεινά σωματίδια συζευγνύονται με το μποζόνιο Higgs με κάποιο τρόπο – έτσι που το Higgs είναι στην πραγματικότητα μια πύλη στον σκοτεινό κόσμο”, δήλωσε ο Wang, αναφερόμενος στο τελευταίο τεράστιο σωματίδιο της μεγάλης θεωρίας των φυσικών για το πώς λειτουργεί το σύμπαν, που ανακαλύφθηκε στο LHC το 2012. “Είναι πιθανό ότι το Higgs θα μπορούσε πραγματικά να αποσυντεθεί σε αυτά τα μακρόβια σωματίδια.”
Το μόνο πρόβλημα είναι η διαλογή αυτών των γεγονότων από τα υπόλοιπα. Υπάρχουν πάνω από ένα δισεκατομμύριο συγκρούσεις ανά δευτερόλεπτο στο LHC των 27 χιλιομέτρων και κάθε μία από αυτές στέλνει ένα ντους υποατομικών σωματιδίων προς όλες τις κατευθύνσεις.
Ο Wang μαζί με τους άλλους πρότειναν έναν νέο τρόπο αναζήτησης, αξιοποιώντας μια συγκεκριμένη πτυχή ενός τέτοιου σκοτεινού σωματιδίου. “Αν είναι τόσο βαρύ, κοστίζει ενέργεια για να παραχθεί, οπότε η ορμή του δεν θα είναι μεγάλη – θα κινείται πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός”, δήλωσε.
Αυτή η χρονική καθυστέρηση θα το ξεχώριζε από όλα τα υπόλοιπα φυσιολογικά σωματίδια. Οι επιστήμονες θα χρειαζόταν μόνο να ψάξουν το σύστημα για να αναζητήσουν σωματίδια που παράγονται και στη συνέχεια να αποσυντίθενται λίγο πιο αργά από οποιοδήποτε άλλο.
Η διαφορά είναι της τάξης ενός νανοδευτερολέπτου . Αλλά ο επιταχυντής LHC έχει ήδη ανιχνευτές αρκετά εξελιγμένους για να πιάσουν αυτή τη διαφορά. Μια πρόσφατη μελέτη που χρησιμοποιεί τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από την τελευταία δοκιμή, βρήκε ότι η μέθοδος αυτή θα πρέπει να λειτουργήσει, καθώς οι ανιχνευτές θα γίνουν ακόμα πιο ευαίσθητοι στο πλαίσιο της αναβάθμισης που βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη.
“Αναμένουμε ότι αυτή η μέθοδος θα αυξήσει την ευαισθησία μας σε μακράς διάρκειας σκοτεινά σωματίδια περισσότερο από μια τάξη μεγέθους – ενώ χρησιμοποιούμε τις δυνατότητες που έχουμε ήδη στο LHC”, λένε οι ερευνητές.
Οι πειραματιστές εργάζονται ήδη για να χτίσουν την παγίδα αυτών των υποθετικών σωματιδίων: Όταν ο LHC επανέλθει το 2021, μετά την αύξηση της φωτεινότητας του κατά δέκα φορές, και οι τρεις κύριοι ανιχνευτές θα εφαρμόσουν το νέο σύστημα, λένε οι επιστήμονες. “Πιστεύουμε ότι έχει μεγάλες δυνατότητες για την ανακάλυψη αυτή”.
“Εάν το σωματίδιο είναι εκεί, πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να το βρούμε”, δήλωσε ο Wang. “Συνήθως, το κλειδί βρίσκεται στο ερώτημα τι να ψάξουμε”.
