Σχεδόν το ένα τέταρτο του σύμπαντος βρίσκεται κυριολεκτικά στις σκιές. Σύμφωνα με τις θεωρίες των κοσμολόγων, το 25,8% αποτελείται από σκοτεινή ύλη, η παρουσία της οποίας σηματοδοτείται ουσιαστικά μόνο από την βαρυτική έλξη της. Η ουσία αυτή αποτελεί ένα μυστήριο. Τώρα ο Hermann Nicolai, διευθυντής στο Ινστιτούτο Max Planck και ο συνάδελφός του Krzysztof Meissner από το Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας πρότειναν έναν νέο υποψήφιο, ένα υπερβολικού βάρους βαρυτίνο. Η ύπαρξη αυτού του υποθετικού σωματιδίου προκύπτει από μια υπόθεση που επιδιώκει να εξηγήσει πώς το παρατηρούμενο φάσμα κουάρκ και λεπτονίων στο πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, μπορεί να προκύψει από μια θεμελιώδη θεωρία. Επιπλέον, οι ερευνητές περιγράφουν μια πιθανή μέθοδο για την πραγματική παρακολούθηση αυτού του σωματιδίου.
Κοιτάζοντας τη σκοτεινή ύλη: αυτή η φωτογραφία είναι ένα μοντάρισμα πολλών εικόνων και δείχνει συγκρουόμενα γαλαξιακά σφαιρικά σμήνη, γνωστά ως Bullet Cluster” (1E 0657-56). Οι γαλαξίες που είναι ορατοί στο οπτικό φως στην εικόνα φόντου επικαλύπτονται με ακτίνες Χ από τα διαγαλαξιακά νέφη αερίου (ροζ), ενώ η κατανομή της μάζας υπολογίζεται από τα φαινόμενα της βαρύτητας και επομένως – έμμεσα – από τη σκοτεινή ύλη (μπλε).
Το πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων περιλαμβάνει τα δομικά στοιχεία της ύλης καθώς και τις δυνάμεις που τα συγκρατούν. Δηλώνει ότι υπάρχουν έξι διαφορετικά κουάρκ και έξι λεπτόνια που ομαδοποιούνται σε τρεις “οικογένειες”. Ωστόσο, η ύλη γύρω από εμάς όπως και εμείς οι ίδιοι αποτελείται τελικά από τρία μόνο σωματίδια από την πρώτη οικογένεια: τα κουάρκ πάνω και κάτω και το ηλεκτρόνιο, το οποίο είναι μέλος της οικογένειας των λεπτονίων.
Μέχρι τώρα, αυτό το Καθιερωμένο Μοντέλο παρέμεινε αμετάβλητο. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN τέθηκε σε λειτουργία πριν από περίπου δέκα χρόνια με κύριο σκοπό τη διερεύνηση του τι θα μπορούσε να βρεθεί εκεί πέρα. Ωστόσο, μετά από δέκα χρόνια λήψης δεδομένων, οι επιστήμονες δεν κατάφεραν να ανιχνεύσουν νέα στοιχειώδη σωματίδια, εκτός από το μποζόνιο Higgs, παρά τις ευρείες προσδοκίες περί του αντιθέτου. Με άλλα λόγια, μέχρι τώρα, οι μετρήσεις με το LHC απέτυχαν να δώσουν οποιεσδήποτε υποδείξεις της «νέας φυσικής» πέρα από το πρότυπο μοντέλο. Αυτά τα ευρήματα βρίσκονται σε πλήρη αντίθεση με πολυάριθμες προτεινόμενες επεκτάσεις αυτού του μοντέλου που υποδηλώνουν μεγάλο αριθμό νέων σωματιδίων.
Σκοτεινή ύλη: Η παρουσία της σηματοδοτείται ουσιαστικά μόνο από την βαρυτική έλξη της
Σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters , ο Hermann Nicolai και ο Krzysztof Meissner παρουσίασαν μια νέα υπόθεση που επιδιώκει να εξηγήσει γιατί μόνο τα ήδη γνωστά στοιχειώδη σωματίδια εμφανίζονται ως βασικά δομικά στοιχεία της ύλης στη φύση και γιατί, , δεν αναμένονται νέα σωματίδια στην ενεργειακή κλίμακα που είναι προσβάσιμη σε τρέχοντα ή πιθανά μελλοντικά πειράματα.
Επιπλέον, οι δύο ερευνητές υποθέτουν την ύπαρξη υπερβαρέων βαρυτίνων (gravitino), τα οποία θα μπορούσαν να είναι εξαιρετικά ασυνήθιστοι υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη. Σε μια δεύτερη δημοσίευση, η οποία παρουσιάστηκε πρόσφατα στο περιοδικό Physical Review D , έδωσαν επίσης μια πρόταση για τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να ανιχνευθούν αυτά τα gravitinos.
Σε αυτή τη δουλειά τους, ο Nicolai και ο Meissner υιοθετούν μια παλιά ιδέα από τον νομπελίστα Murray Gell-Mann που βασίζεται στη θεωρία υπερβαρύτητας N = 8. Ένα βασικό στοιχείο της πρότασής τους είναι ένα νέο τύπο απείρων διαστάσεων συμμετρίας που αποσκοπεί να εξηγήσει το παρατηρούμενο φάσμα των γνωστών κουάρκ και λεπτονίων σε τρεις οικογένειες. “Η υπόθεσή μας δεν παράγει επιπλέον σωματίδια για τη συνηθισμένη ύλη που θα πρέπει στη συνέχεια να υποστηριχθούν επειδή δεν εμφανίζονται σε πειράματα επιταχυντών”, λέει ο Hermann Nicolai. “Αντίθετα, η υπόθεση μας μπορεί καταρχήν να εξηγήσει με ακρίβεια αυτό που βλέπουμε, συγκεκριμένα την αναπαραγωγή των κουάρκ και των λεπτονίων σε τρεις οικογένειες”.
Ωστόσο, οι διεργασίες στον Κόσμο δεν μπορούν να εξηγηθούν εξ ολοκλήρου από τη συνηθισμένη ύλη που γνωρίζουμε ήδη. Ένα από τα σημάδια αυτά της αόρατης ύλης είναι οι γαλαξίες: περιστρέφονται με μεγάλη ταχύτητα και η ορατή ύλη στο σύμπαν – που αντιπροσωπεύει μόνο το 5% της ύλης στο σύμπαν – δεν θα αρκούσε για να τα συγκρατήσει και να μην διαλυθούν. Μέχρι στιγμής, όμως, κανείς δεν ξέρει τι είναι η υπόλοιπη ύλη, παρά τις πολλές προτάσεις. Η φύση της σκοτεινής ύλης είναι επομένως ένα από τα σημαντικότερα αναπάντητα ερωτήματα στην κοσμολογία.
“Η κοινή προσδοκία είναι ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από ένα στοιχειώδες σωματίδιο και ότι δεν ήταν δυνατό να ανιχνευθεί ακόμα, επειδή αλληλεπιδρά με τη συνηθισμένη ύλη σχεδόν αποκλειστικά με τη βαρυτική δύναμη”, λέει ο Hermann Nicolai. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε σε συνεργασία με τον Krzysztof Meissner προσφέρει ένα νέο υποψήφιο για τα σωματίδια σκοτεινής ύλης αυτού του είδους, αν και με εντελώς διαφορετικές ιδιότητες από όλους τους υποψηφίους που συζητήθηκαν μέχρι τώρα, όπως τα αξιόνια ή τα WIMPs. Τα τελευταία αλληλεπιδρούν μόνο πολύ ασθενώς με τη γνωστή ύλη. Το ίδιο ισχύει και για τα πολύ ελαφρά βαρυτίνος που έχουν επανειλημμένα προταθεί ως υποψήφια σωματίδια της σκοτεινής ύλης σε σχέση με την χαμηλή ενεργειακή υπερσυμμετρία. Ωστόσο, η παρούσα πρόταση πηγαίνει σε μια εντελώς διαφορετική κατεύθυνση, δεδομένου ότι δεν αποδίδει πλέον πρωταρχικό ρόλο στην υπερσυμμετρία, παρόλο που το πρόγραμμα κατεβαίνει από τη μέγιστη N = 8 υπερβαρύτητα. “Ειδικότερα, το πρόγραμμά μας προβλέπει την ύπαρξη υπερβαρέων βαρυτίνων, τα οποία – σε αντίθεση με τους συνηθισμένους υποψήφιους και σε αντίθεση με το προηγούμενο θεωρούμενο ελαφρά gravitinos – θα αλληλεπιδρούν έντονα και ηλεκτρομαγνητικά με τη συνηθισμένη ύλη”, λέει ο Hermann Nicolai.
Η μεγάλη τους μάζα σημαίνει ότι αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να εμφανιστούν μόνο σε πολύ αραιή μορφή στο σύμπαν. διαφορετικά, θα “υπερκεράσουν” το σύμπαν και έτσι θα οδηγήσουν σε πρόωρη κατάρρευση. Σύμφωνα με τον ερευνητή του Max Planck, οι θεωρητικοί πραγματικά δεν θα χρειαζόντουσαν πολλά από αυτά για να εξηγήσουν το περιεχόμενο της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν και στον γαλαξία μας – ένα σωματίδιο ανά 10.000 κυβικά χιλιόμετρα θα αρκούσε. Η μάζα του σωματιδίου αυτού που υπέθεσαν οι Νικολάι και Μέισνερ βρίσκεται στην περιοχή της μάζας Planck – δηλαδή, περίπου 10-8kg. Σε σύγκριση, τα πρωτόνια και τα νετρόνια – τα δομικά στοιχεία του ατομικού πυρήνα – είναι περίπου δέκα εκατομμύρια (δέκα εκατομμύρια τρισεκατομμύρια) φορές ελαφρύτερα. Στον διαγαλαξιακό χώρο, η πυκνότητα θα ήταν ακόμη πολύ χαμηλότερη.
“Η σταθερότητα αυτών των βαρέων βαρυτίνων εξαρτάται από τους ασυνήθιστους κβαντικούς τους αριθμούς (charges)”, λέει ο Νικολάι. “Συγκεκριμένα, δεν διασπώνται σε σωματίδια του πρότυπου μοντέλου αυτά τα γκραβιτίνα – διαφορετικά, θα εξαφανίστηκαν λίγο μετά το Big Bang”.
Οι ισχυρές και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις τους με τη γνωστή ύλη μπορεί να καταστήσουν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης πιο εύκολο να εντοπιστούν παρά την εξαιρετική τους σπανιότητα. Μια πιθανότητα είναι να τα αναζητήσετε με ειδικές μετρήσεις χρόνου-κίνησης σε βαθιά υπόγεια, καθώς αυτά τα σωματίδια κινούνται πολύ πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός, σε αντίθεση με τα συνηθισμένα στοιχειώδη σωματίδια που προέρχονται από την κοσμική ακτινοβολία. Παρόλα αυτά, θα διεισδύσουν στη Γη χωρίς προσπάθεια εξαιτίας της μεγάλης μάζας τους – όπως μια μπάλα κανονιού που δεν μπορεί να σταματήσει από ένα σμήνος από κουνούπια.
Το γεγονός αυτό δίνει στους ερευνητές την ιδέα να χρησιμοποιήσουν τον ίδιο τον πλανήτη μας ως «παλαιοανιχνευτή»: η Γη έχει περιπλανηθεί γύρω από τον διαπλανητικό χώρο για περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, κατά τη διάρκεια των οποίων πρέπει να έχουν διεισδύσει μέσα της πολλά από αυτά τα βαρέα gravitinos. Κατά τη διαδικασία, τα σωματίδια θα πρέπει να έχουν αφήσει μακριές, ευθείες ιοντικές διαδρομές σε βράχους, αλλά μπορεί να μην είναι εύκολο να τις διακρίνουν από τα ίχνη που προκαλούνται από γνωστά σωματίδια. “Η ιοντίζουσα ακτινοβολία είναι γνωστό ότι προκαλεί ρωγμές πλέγματος στις κρυσταλλικές δομές. Μπορεί να είναι δυνατό να ανιχνεύσουμε λείψανα τέτοιων ιχνών σε κρυστάλλους που παραμένουν σταθεροί για εκατομμύρια χρόνια”, λέει ο Hermann Nicolai. Λόγω του μεγάλου “χρόνου έκθεσής τους”
