Η σκοτεινή ύλη παραμένει άπιαστη

Από την ιστοσελίδα PhysicsWeb, 5 Μαΐου 2004 

Το πιο ευαίσθητο πείραμα σκοτεινής ύλης στον κόσμο απέτυχε να βρει αποδείξεις για τα μυστήρια σωματίδια που θεωρούνται ότι σχηματίζουν, σχεδόν, το ένα τρίτο του σύμπαντος. Εντούτοις, η ομάδα πίσω από το πείραμα CDMS ΙΙ (Έρευνα Κρυογενικής Σκοτεινής Ύλης)-- που είναι τέσσερις φορές πιο ευαίσθητο από άλλους ανιχνευτές της σκοτεινής ύλης -- ελπίζει να βελτιώσει την ευαισθησία του πειράματος κατά άλλον έναν παράγοντα 20 τα επόμενα χρόνια. Η ανίχνευση ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης θα ήταν μια σημαντική σημαντική ανακάλυψη και στη φυσική σωματιδίων και στην κοσμολογία.

Η σκοτεινή ύλη προτάθηκε αρχικά από αστρονόμους για να εξηγήσουν γιατί οι γαλαξίες περιστρέφονται πολύ γρηγορότερα από όσο μπορεί να εξηγηθεί από την ποσότητα της ορατής ύλης που περιέχουν.

Αυτή η μυστήρια μορφή της ύλης δεν εκπέμπει ή δεν απορροφά την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία -- γι' αυτό και η ονομασία της σκοτεινή -- και μπορεί να ανιχνευθεί μόνο από τις βαρυτικές της επιδράσεις πάνω στη συνηθισμένη ύλη. Οι μαύρες τρύπες και άλλα αντικείμενα είναι γνωστό ότι είναι ένα μέρος της σκοτεινής ύλης στο Γαλαξία μας.

Εντούτοις, πολλοί κοσμολόγοι θεωρούν ότι οι γαλαξίες περιέχουν επίσης εξωτικά σωματίδια που έχουν μείνει από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτά περιλαμβάνουν τα Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα (WIMPS) που δεν έχουν φορτίο, και άλλα σωματίδια που δεν περιλαμβάνονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο της φυσικής σωματιδίων.

Τα WIMPs ενώ οι φυσικοί αναμένουν να έχουν, περίπου, 100 φορές τη μάζα των πρωτονίων, η στοιχειωμένη φύση τους επιτρέπει να αποφεύγει την συνηθισμένη ύλη αφήνοντας σπανίως ίχνη. Λόγω της Ασθενούς Αλληλεπίδρασης με την ύλη, ενώ διέρχονται εκατοντάδες δισεκατομμύρια WIMPs από το σώμα μας, πολύ σπάνια αλληλεπιδρούν.
 

Το πείραμα CDMS ΙΙ γίνεται σε ένα μη χρησιμοποιούμενο ορυχείο σιδήρου 750 μέτρα κάτω από το έδαφος στο Σουδάν της Μινεσότας. Είναι απαραίτητο οι  ανιχνευτές της σκοτεινής ύλης να είναι υπόγειοι για να προστατεύονται από τις κοσμικές ακτίνες και την ραδιενέργεια του περιβάλλοντος, που μπορούν να μιμηθούν ένα σήμα της σκοτεινής ύλης.

Τα WIMP είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν επειδή αλληλεπιδρούν σπάνια με τη συνηθισμένη ύλη και μάλιστα αλληλεπιδρούν μέσω της βαρύτητας. Η ομάδα CDMS ΙΙ ελπίζει να ανιχνεύσει αυτές τις σπάνιες αλληλεπιδράσεις μετρώντας το φορτίο και τη δόνηση που παράγονται από τα σωματίδια καθώς περνούν μέσω ενός πύργου ανιχνευτών από γερμάνιο - πυρίτιο, που διατηρούνται σε κρυογενικές θερμοκρασίες. Θα είναι δυνατόν να ταυτοποιηθούν τα WIMPs επειδή αυτά ελευθερώνουν μικρότερο φορτίο από άλλα σωματίδια για την ίδια στάθμη της δόνηση.

Οι ανιχνευτές αποτελούνται από μικρούς πύργους που περιέχουν 1 kg γερμανίου για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης και 200 gr πυριτίου για να διακρίνει τα WIMPs από τα νετρόνια. Λεπτά στρώματα από πυρίτιο, αργίλιο, και βολφράμιο επικαλύπτουν τις επιφάνειες των ανιχνευτών μετρώντας συγχρόνως τη θερμότητα και το φορτίο που ελευθερώνεται όταν ένα σωματίδιο αλληλεπιδρά στο εσωτερικό.

Τα πρώτα αποτελέσματα από το πείραμα CDMS ΙΙ δείχνουν με βεβαιότητα 90% ότι ο ρυθμός αλληλεπίδρασης ενός WIMP με μια μάζα 60 GeV πρέπει να είναι μικρότερος από, περίπου, μία κάθε 25 ημέρες και ανά χιλιόγραμμο γερμανίου του ανιχνευτή ή όπως περιγράφεται σε μια ανακοίνωση στο περιοδικό Physical Review Letters πρέπει να είναι μικρότερος από 4 x 10^-43 cm². Σύμφωνα με την ομάδα CDMS ΙΙ, αυτές οι μετρήσεις είναι τουλάχιστον τέσσερις φορές πιο ευαίσθητες από το καλύτερο προηγούμενο αποτέλεσμα, που επιτεύχθηκε από τον ανιχνευτή EDELWEISS στη Grenoble της Γαλλίας. Οι επιστήμονες ελπίζουν τώρα να βελτιώσουν αυτήν την ευαισθησία κατά έναν παράγοντα 20 ή και περισσότερο.

Η επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου που ευνοείται από τους περισσότερους σωματιδιακούς θεωρητικούς -- η υπερσυμμετρία -- προβλέπει ότι τα WIMPs θα πρέπει να βρεθούν με το πείραμα CDMS ΙΙ. "Η ανακάλυψη των WIMPs και της υπερσυμμετρίας θα έλυνε ταυτόχρονα τα πιο σημαντικά προβλήματα στη φυσική σωματιδίων και την κοσμολογία", λέει ο Blas Cabrera του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ, ένας από τους εκπροσώπους για το πείραμα CDMS ΙΙ.

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.