Η σκοτεινή ύλη μπορεί να μην είναι ανιχνεύσιμη

Από σελίδα του Nature, 7 Ιουλίου 2003

Οι ερευνητές που πηγαίνουν με πλάγιους τρόπους για να ανιχνεύσουν τα ίχνη της αόριστης σκοτεινής ύλης, η οποία ξεπερνά κατά πολύ σε βάρος της κανονικής ύλης στο Σύμπαν, χάνουν το χρόνο τους πιστεύει μια ομάδα φυσικών.

Ο Jonathan Feng και συνάδελφοι του στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Irvine, προτείνει ότι η σκοτεινή ύλη, που θεωρείται ότι αποτελεί το 90% όλης της ύλης στο Σύμπαν, κρύβεται υπό μορφή σωματιδίων, αυτών που ονομάζονται υπερ-WIMPs, και τα οποία δεν μπορούν να ανιχνευτούν με τις έρευνες για την συμβατική σκοτεινή ύλη.

Αυτή την περίοδο, ένας από τους κύριους υπόπτους για την ανεξήγητη βαρυτική έλξη που νιώθουν τα αστέρια και οι γαλαξίες, είναι τα WIMPs - (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντας Σωματίδια με Μάζα). Αυτά είναι βαρύτερα των πρωτονίων και νετρονίων, και δείχνουν έτσι ισχυρά βαρυτικά φαινόμενα. Επηρεάζουν δε δύσκολα την κανονική ύλη. 

Για να ανιχνεύσουν δε τις πολύ σπάνιες συγκρούσεις μεταξύ WIMPs και των κανονικών σωματιδίων, οι φυσικοί στην Ευρώπη και τις ΗΠΑ έχουν κατασκευάσει ανιχνευτές πολύ κάτω από τη γήινη επιφάνεια, για να προστατεύονται από τις κοσμικές ακτίνες.

Αυτές όμως οι προσπάθειες μπορεί να αποδειχθούν άκαρπες, προειδοποιεί η ομάδα του Feng. Στην πρόταση τους τα υπερ- wIMPs αλληλεπιδρούν τόσο ασθενώς ώστε να είναι στην πράξη αόρατα. "Τα υπερ-WIMPs είναι αδύνατον να ανακαλυφθούν άμεσα και ξεφεύγουν σε όλα τα έμμεσα πειράματα ανίχνευσης", ολοκληρώνουν.

Αλλά οι ερευνητές προσφέρουν στους κυνηγούς της σκοτεινής ύλης νέο τρόπο ανίχνευσης. Σκέφτονται ότι ο σχηματισμός των υπερ- wIMPs στις αρχικές ημέρες του Σύμπαντος μπορεί να έχει αφήσει ανιχνεύσιμα ίχνη στο Σύμπαν. Το ένα ίχνος ή υπογραφή θα ήταν ένας αφύσικα μεγάλος αριθμός ακτίνων-γ, σε μια ορισμένη ενέργεια, που θα βρίσκονται σε όλο το διάστημα. Αυτό το "διάχυτο φάσμα ακτίνων-γ" μετριέται αυτήν την περίοδο από το International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (Διεθνές Εργαστήριο Αστροφυσικής Ακτίνων-γ), ένα διαστημικό σκάφος που χρησιμοποιείται από την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία (ESA).

Άλλα ίχνη μπορεί να εμφανιστούν στις Κοσμικές αφθονίες των ελαφρών στοιχείων, όπως το λίθιο, που σχηματίστηκε στο Big Bang, και στις αποκλίσεις από την τέλεια ομοιομορφία της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου, την Ακτινοβολία της Δημιουργίας.

 "Όταν οι συνεργάτες μου και εγώ ξεκινήσαμε αρχικά μα σκεφτόμαστε για την σκοτεινή ύλη των υπερ-WIMP, πειστήκαμε ότι ήταν είτε εντελώς αποκλεισμένα, ή απολύτως ασταθή", λέει ο Feng. "Αλλά φαίνεται ότι κάνουμε λάθος και στα δύο θέματα", αναγνωρίζει.

Γκραβιτίνος (gravitinos) και γκραβιτόνια (gravitons)

Η πρόταση για τα υπερ-WIMPs δεν πρέπει να μας οδηγήσει στην απαισιοδοξία. Είναι μια εξερεύνηση των συνεπειών των θεωριών που προσπαθούν να ενώσουν την κβαντική μηχανική με τη βαρύτητα - μια από τις κεντρικές προκλήσεις για τη σύγχρονη φυσική.

Ο Feng και οι συνάδελφοί του δείχνουν ότι δύο από τις αγαπημένες θεωρίες - η υπερβαρύτητα, που εμπλέκει μια ολόκληρη γενιά νέων θεμελιωδών σωματιδίων, και οι θεωρίες Kaluza-Klein, οι οποίες θεωρούν ότι υπάρχουν πρόσθετες κρυμμένες διαστάσεις στο Σύμπαν - παράγουν σωματίδια βαρύτητας, που ονομάζονται γκραβιτίνος και γκραβιτόνια, αντίστοιχα.

Αυτά τα υποθετικά σωματίδια, λένε οι ερευνητές, θα μπορούσαν να έχουν ακριβώς τις ιδιότητες των υπερ-WIMPs: μεγάλη μάζα αλλά σχεδόν μια μηδενική ροπή για να αλληλεπιδράσουν με την κανονική ύλη. 

Feng, J. L., Rajaraman, A. & Takayama, F. Superweakly interacting massive particles. Physical Review Letters, 91, 011302, (2003).|Article|

Για τα WIMP'S

Ενώ οι αστρονόμοι παρατηρούν γνωστά αντικείμενα της συνηθισμένης ύλης, που τα μελετούν για να επιβεβαιώσουν μια θεωρία ή να διαπιστώσουν την εξέλιξή τους, οι κοσμολόγοι και οι φυσικοί προσπαθούν να παρατηρήσουν εξωτικά σωματίδια. Γιατί η ύπαρξή τους προβλέπεται από σύγχρονες θεωρίες της Κοσμολογίας και της Φυσικής, και πολλές φορές χρειάζονται για την εξήγηση πολλών ιδεών στη σύγχρονη φυσική.

Μια μεγάλη κατηγορία τέτοιων σωματιδίων περιλαμβάνει σωματίδια που διαθέτουν μεγάλη μάζα (πολλαπλάσια του πρωτονίου), κινούνται σχετικά αργά, αλλά αλληλεπιδρούν ελάχιστα με τη γνωστή ύλη. Η ύπαρξή τους εξηγεί σε ικανοποιητικό βαθμό τη δημιουργία των γαλαξιών και έχει προβλεφθεί από τις υπερσυμμετρικές θεωρίες, οι οποίες διπλασιάζουν τον αριθμό των υπαρχόντων σωματιδίων, αποδίδοντας σε κάθε γνωστό υποατομικό σωματίδιο ένα υπερσυμμετρικό αντίστοιχο.

Οι φυσικοί έχουν ονομάσει συλλογικά αυτά τα σωματίδια WIMP's, από τα αρχικά των λέξεων "Weakly Interacting Massive Particles". Μάλιστα στην αμερικανική καθομιλουμένη ­ η λέξη WIMP's περιγράφει τον ψυχικά αδύναμο άνθρωπο.

Όμως υπάρχει και ένα σωματίδιο, το άξιον, που από άποψη μάζας είναι κυριολεκτικά ένα αιθέριο σωματίδιο με μάζα μικρότερη του ενός τρισεκατομμυριοστού του πρωτονίου, το οποίο εμφανίσθηκε κατά την προσπάθεια των φυσικών να ενοποιήσουν τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης και πήρε το όνομά του από ένα απορρυπαντικό. Παρ' όλη τη μικρή μάζα του, είναι πιθανόν να υπάρχει σε τόσο μεγάλες ποσότητες, ώστε να καλύπτει μεγάλο ποσοστό της σκοτεινής ύλης.

Τα σωματίδια αυτά, καθώς και άλλα που επίσης έχουν προταθεί, μπορεί να λύνουν θεωρητικά το πρόβλημα, προς το παρόν όμως υπάρχουν μόνο στα χαρτιά και στη φαντασία των θεωρητικών φυσικών. Μέχρι στιγμής δεν έχουμε καμία συγκεκριμένη απόδειξη ότι πράγματι υφίστανται στη Φύση.