physics4u - Μια νέα κλάση των WIMPS -- τα υπερ-WIMPS

Θα είναι δύσκολο για τον Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουμένων Αδρονίων στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN), που θα ξεκινήσει το προσεχές έτος, να ανιχνεύσει τα WIMPS -- τα σωματίδια που θεωρούνται ότι αποτελούν την σκοτεινή ύλη -- λένε κάποιοι φυσικοί στις ΗΠΑ. Εντούτοις, ο επιταχυντής αυτός, που θα είναι ο ισχυρότερος σε παγκόσμιο επίπεδο, μπορεί να είναι σε θέση να ανιχνεύσει μια νέα κατηγορία σωματιδίων τα αποκαλούμενα "Super WIMPS" -- τα προϊόντα της διάσπασης των WIMPS. Η ανίχνευση των σωματιδίων που αποτελούν την σκοτεινή ύλη θα αντιπροσώπευε μια πολύ σημαντική ανακάλυψη και στη φυσική και στην κοσμολογία σωματιδίων (Phys. Rev. Lett. 96 151802).

Η σκοτεινή ύλη προτάθηκε αρχικά από τους αστρονόμους για να εξηγήσει 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 ονομάστηκε "σκοτεινή" -- και μπορεί να ανιχνευθεί μόνο από τη βαρυτική επίδραση της στη συνηθισμένη ύλη. Αν και η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αποτελεί το 25% όλης της ύλης στον κόσμο, κανένας δεν ξέρει τι είναι.

Οι μαύρες τρύπες και άλλα αντικείμενα είναι γνωστά ότι αποτελούν μερική από την σκοτεινή ύλη στο Γαλαξία μας. Εντούτοις, πολλοί κοσμολόγοι θεωρούν ότι οι γαλαξίες περιέχουν, επίσης, κάποια εξωτικά σωματίδια που έμειναν από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτά περιλαμβάνουν τα WIMPS (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα) και άλλα σωματίδια που δεν περιλαμβάνονται στο καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής.

Όπως και το όνομά τους προτείνει, τα WIMPS αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια μέσω της ασθενούς δύναμης (τη μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση). Ακόμα, παρά τις πολυάριθμες αναζητήσεις από τους φυσικούς σωματιδίων σε όλο τον κόσμο, δεν έχει ανιχνευθεί ακόμα κανένα WIMPS. Πολλοί θεωρητικοί υποθέτουν ότι τα WIMPS είναι τα ελαφρύτερα όλων των σωματιδίων και είναι επομένως τα σταθερότερα. Εντούτοις, το 2003, ο Jonathan Feng του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Irvine και οι συνάδελφοι του διαπίστωσαν ότι τα WIMPS είναι συχνά καθόλου σταθερά επειδή μπορούν να διασπαστούν σε ελαφρύτερα σωματίδια, τα οποία ονόμασαν Super-WIMPS.

Όπως και τα WIMPS, έτσι και τα υπερ-WIMPS δεν εκπέμπουν κανένα φως και έχουν μάζα και ασκούν μια βαρυτική δύναμη. Εντούτοις, δεν έχουν τον τύπο των ασθενών αλληλεπιδράσεων που έχουν τα WIMPS και μπορούν να αλληλεπιδράσουν μόνο μέσω της βαρύτητας. Δεδομένου ότι η βαρυτική δύναμη δεν είναι τόσο ισχυρή όσο η ασθενής δύναμη, αυτές οι αλληλεπιδράσεις καλούνται "υπερ-ασθενείς". Αυτό σημαίνει ότι τα υπερ-WIMPS θα συγκρουστούν σπάνια με άλλα σωματίδια και είναι ανίκανα να διασπαστούν σε άλλα σωματίδια. Είναι έτσι βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις για την σκοτεινή ύλη λέει ο Feng.

"Τα υπερ-WIMPS είναι παρόμοια με τα νετρίνα, αλλά ακόμη πιο αδύναμα να αλληλεπιδράσουν," εξηγεί ο Feng. "Ίσως το καλύτερο υποψήφιο σωματίδιο να είναι το "γκραβιτίνο", το οποίο είναι το υπερσυμμετρικό σύντροφο σωματίδιο του γκραβιτόνιου ή βαρυτόνιο, το σωματίδιο που μεταφέρει τη δύναμη της βαρύτητας."

Ο Feng και οι συνάδελφοι του έχουν υπολογίσει τώρα ότι τέτοια υπερ-WIMPS θα μπορούσαν να δημιουργηθούν και να ανιχνευθούν στο Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων (LHC). Στον επιταχυντή αυτόν των 14 TeV συγκρούονται πρωτόνια και χτίζεται στη Γενεύη προς αναζήτηση του σωματιδίου Higgs (ή των σωματιδίων), τα οποία θεωρούνται ότι μπορούν να εξηγήσουν την προέλευση της μάζας. Θα ψάξει επίσης για τα "υπερσυμμετρικά" σωματίδια και θα εξερευνήσει γιατί το σύμπαν αποτελείται εξ ολοκλήρου από την ύλη, ακόμα κι αν θεωρείται ότι κατά τη Μεγάλη Έκρηξη δημιουργήθηκαν ίσα ποσά ύλης και αντιύλης.

Είναι όμως πολύ δύσκολο να δουν οι ερευνητές την παραγωγή της σκοτεινής ύλης στον LHC και άλλους επιταχυντές, παρόλο που η θεωρία προβλέπει ότι και τα WIMPS ή τα υπερ-WIMPS μπορούν να ανιχνευτούν.

Εντούτοις, η αμερικανική ομάδα λέει ότι το σήμα από οποιαδήποτε παραγωγή των WIMPS θα ήταν όμοιο με το υπόβαθρο που υπάρχει. Αντίθετα, το σήμα από τα υπερ-WIMPS θα ήταν "θεαματικό" και εύκολα ανιχνεύσιμο.

"Εάν η σκοτεινή ύλη παραχθεί στο LHC, τότε θα είμαστε σε θέση να μελετήσουμε τις ιδιότητές της λεπτομερώς για πρώτη φορά", λέει ο Feng. Αν και το LHC δεν είχε ως σκοπό να ψάξει για την σκοτεινή ύλη, λέει ότι αυτό γίνεται "όλο και περισσότερο ελπιδοφόρο... και μια από τις πιο καλύτερες δυνατότητες του LHC".