Φυσικοί επιδιώκουν την κατανόηση της απόκρυψης της σκοτεινής ύλης

Πηγή: Πανεπιστήμιο Stanford, 31 Δεκεμβρίου 2006

Οι επιστήμονες δεν ξέρουν από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη, αλλά γνωρίζουν ότι βρίσκεται σε όλο τον Κόσμο. Οτιδήποτε παρατηρούν οι αστρονόμοι στους ουρανούς ‹γαλαξίες, αστέρια, πλανήτες και λοιπά) αποτελούν μόνο το 4 τοις εκατό του σύμπαντος, λένε οι επιστήμονες. Τα υπόλοιπα 96 τοις εκατό αποτελούνται από την σκοτεινή ύλη και την ακόμα πιο μυστήρια αμφιθαλή του, σκοτεινή ενέργεια.

Οι επιστήμονες βρήκαν πρόσφατα άμεσα στοιχεία ότι η σκοτεινή ύλη πράγματι υπάρχει μελετώντας ένα απόμακρο σμήνος γαλαξιών και παρατηρώντας διαφορετικού τύπου κινήσεις της φωτεινής ως προς τη σκοτεινή ύλη. Όμως, κανένας δεν ξέρει από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη.

Τελευταία, ένα πρωτοποριακό διεθνές πρόγραμμα που καθοδηγείται από το φυσικό Blas Cabrera του Στάνφορντ μπορεί τελικά να αλλάξει τα πράγματα και να βρει τα αόριστα σωματίδια που διαμορφώνουν τη σκοτεινή ύλη.

"Είναι πολύ σκληρό να ξέρεις ότι υπάρχει μια ουσία εκεί πάνω που να αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος και που δεν μπορούμε να δούμε", λέει ο Cabrera. "Τα αστέρια και οι γαλαξίες είναι όπως τα φώτα των χριστουγεννιάτικων δέντρων σε αυτό το τεράστιο σκάφος που είναι σκοτεινό και ούτε απορροφά ούτε εκπέμπει φως."

Μέσα σε ένα υπόγειο ορυχείο στη Μινεσότα θαμμένο βαθιά βρίσκεται μια διάταξη που λέγεται Κρυογενική Αναζήτηση της Σκοτεινής Ύλης II (CDMS II) και υπεύθυνος είναι ο Cabrera, Σε αυτό το πρόγραμμα συνεργάζονται 46 επιστήμονες από 13 ιδρύματα.

Για τη σύλληψη ενός WIMP

Το πείραμα αυτό είναι το πιο ευαίσθητο που έγινε ποτέ και στοχεύει να ανιχνεύσει τα εξωτικά σωματίδια WIMP (ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα), τα οποία είναι μία από τις καλύτερες υποψήφιες εικασίες των επιστημόνων για το τι αποτελεί την σκοτεινή ύλη. Άλλες επιλογές περιλαμβάνουν τα νετρίνα, τα θεωρητικά σωματίδια αξιόνια (axions) ή ακόμα και κανονική ύλη όπως είναι οι μαύρες τρύπες και οι καφέ νάνοι - αστέρια που είναι πάρα πολύ εξασθενημένα για να τα δούμε.

Τα WIMPS είναι μάλλον ουδέτερα σωματίδια και η μάζα τους είναι πάνω από 100 φορές τη μάζα ενός πρωτονίου. Προς το παρόν αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια υπάρχουν μόνο θεωρητικά και δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ. Οι επιστήμονες σκέφτονται ότι δεν τα έχουν βρει ακόμα επειδή είναι βασανιστικά δύσκολο να συλληφθούν. Τα WIMPS δεν αλληλεπιδρούν με την περισσότερη ύλη, αλλά με το πείραμα CDMS ΙΙ θα προσπαθήσουν να τα συλλάβουν σε μια σπάνια σύγκρουση με τα άτομα του προγράμματος σε ειδικούς ανιχνευτές.

"Αυτά τα σωματίδια περνούν συνήθως μέσω της Γης χωρίς καμιά σκέδαση", αναφέρει ο Cabrera. "Αλλά πιστεύουμε ότι υπάρχει  μια πολύ μικρή πιθανότητα να αλληλεπιδράσουν και έτσι κάποιο από αυτά θα έρθει στον ανιχνευτή και θα το δούμε."

Οι ανιχνευτές είναι κρυμμένοι κάτω βαθιά στη γη σε ένα παλιό ορυχείο στη Μινεσότα για να τους προστατεύσουν από τις κοσμικές ακτίνες και άλλα σωματίδια που μπορεί να συγκρουστούν με τους ανιχνευτές και έτσι να τα μπερδέψουμε με τη σκοτεινή ύλη. Στην πραγματικότητα, ο μισός αγώνας των επιστημόνων που εργάζονται στο CDMS ΙΙ είναι να προστατεύσουν τα όργανά τους όσο το δυνατόν περισσότερο από όλα τα σωματίδια, πλην από τα WIMPS για τα οποία αναπτύσσουν ειδικά συστήματα για να μας πουν τη διαφορά μεταξύ της σκοτεινής ύλης και των γνωστών σωματιδίων.

"Ο ανιχνευτής μας είναι σαν μια σφαίρα του χόκεϊ που βρίσκεται σε μια θερμοκρασία 50 χιλιοστά ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν", λέει ο Walter Ogburn, μεταπτυχιακός σπουδαστής στο Στάνφορντ. "Είναι δύσκολο να γίνουν πειράματα σε αυτό το κρύο."

Σε αυτή τη θερμοκρασία ούτε τα άτομα δεν μπορούν να κινηθούν. Οι ανιχνευτές αποτελούνται από κρυστάλλους στερεού πυριτίου και στερεού γερμανίου. Τα άτομα του πυριτίου ή γερμανίου βρίσκονται σε ένα τέλειο δικτυωτό πλέγμα. Εάν συντριβή ένα WIMP πάνω τους, τότε αυτά κινούνται πέρα-δώθε και εκπέμπουν μικροσκοπικά πακέτα θερμότητας, τα φωνόνια. Όταν τα φωνόνια ανέλθουν στην επιφάνεια των ανιχνευτών, δημιουργούν μια αλλαγή σε ένα πολύ ευαίσθητο στρώμα του βολφραμίου, που οι ερευνητές μπορούν να καταγράψουν. Ένα δεύτερο κύκλωμα στην άλλη πλευρά μετρά το φορτίο των ιόντων, τα σωματίδια που θα απελευθερωθούν από μια σύγκρουση ενός WIMP και ενός ατόμου στον ανιχνευτή.

Ένα υποσύνολο των WIMPS, τα νετραλίνα, είναι τα ελαφρύτερα σωματίδια που αναμένονται από την υπερσυμμετρία, μια θεωρία που προβλέπει έναν εταίρο για κάθε σωματίδιο που ήδη έχουμε παρατηρήσει. Εάν το CDMS ΙΙ πετύχει να ανακαλύψει τα νετραλίνα, θα ήταν η πρώτη απόδειξη για τους υπερ-εταίρους.

Οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις των WIMPS συμβαίνουν γιατί, ακόμα κι αν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης έχουν μάζα και υπακούουν στους νόμους της βαρύτητας, δεν συγκεντρώνονται στους γαλαξίες και τα αστέρια όπως η κανονική ύλη. Προκειμένου να συγκεντρωθούν, τα σωματίδια αυτά πρέπει να συντριβούν και να κολλήσουν μαζί. Αλλά τα WIMPS συνήθως απομακρύνονται το ένα από το άλλο. Συγχρόνως, επειδή τα WIMPS είναι ουδέτερα, δεν σχηματίζουν άτομα, τα οποία απαιτούν να υπάρχει έλξη μεταξύ των θετικά φορτισμένων πρωτονίων και των αρνητικών φορτισμένων ηλεκτρονίων.

"Η σκοτεινή ύλη διαπερνά τα πάντα", σχολιάζει ο Cabrera. "Γι αυτό και δεν κατέρρευσε ποτέ με τον τρόπο που το κάνουν τα άτομα."

Δεδομένου ότι η σκοτεινή ύλη ποτέ δεν διαμόρφωσε αστέρια και άλλα γνωστά αστρονομικά αντικείμενα, για πολύ καιρό οι επιστήμονες δεν ήξεραν τι ήταν. Οι πρώτες ενδείξεις της ύπαρξής της ήρθαν κατά τη δεκαετία του '30 όταν ο Fritz Zwicky, ένας ελβετό-αμερικανός αστρονόμος, παρατήρησε τα σμήνη των γαλαξιών. Αυτός πρόσθεσε τις μάζες των γαλαξιών και παρατήρησε ότι δεν υπήρχε αρκετή μάζα για να δημιουργήσει την απαραίτητη βαρύτητα που πρέπει να υπάρχει για να συγκρατήσει τα σμήνη των γαλαξιών μαζί. Συμπέρανε λοιπόν, ότι κάτι άλλο πρέπει να δίνει την μάζα που έλειπε.

Αργότερα στη δεκαετία του '70, η Vera Rubin, μια αμερικανίδα αστρονόμος, μέτρησε τις ταχύτητες των αστεριών μέσα στο Γαλαξία μας και άλλους κοντινούς γαλαξίες. Και όταν παρατηρούσε τα πιο απόμακρα άκρα αυτών των γαλαξιών, διαπίστωσε ότι τα αστέρια δεν περιστρέφονται πιο αργά όπως περίμεναν οι επιστήμονες. "Αυτό δεν είχε οποιοδήποτε νόημα", λέει ο Cabrera. "Ο μόνος τρόπος που θα μπορούσαμε να το εξηγήσουμε είναι να υποθέσουμε ότι εκεί υπήρχε πολύ περισσότερη μάζα από όσο παρατηρούσαμε στα αστέρια."

Με την πάροδο των ετών, συσσωρεύτηκαν όλο και περισσότερα στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη. Αν και οι επιστήμονες δεν ξέρουν ακόμα τι ακριβώς είναι, έχουν μια καλύτερη ιδέα για το που είναι και για την ποσότητα που πρέπει να υπάρχει. 

"Δεν έχουμε όμως δει κανένα σήμα που να παρουσιάζει ενδιαφέρον μέχρι σήμερα", συνεχίζει ο Cabrera. Αλλά οι ερευνητές του CDMS ΙΙ συνεχίζουν την αναζήτηση. Αλλά υπάρχουν κι άλλες πειραματικές ομάδες για τον ίδιο σκοπό. Είναι το ZEPLIN, ένα πείραμα που οργανώθηκε από φυσικούς στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες και της Μεγάλης Βρετανίας (Dark Matter Collaboration) που στοχεύει να συλλάβει WIMPs σε δεξαμενές με υγρό αέριο ξένον μέσα σε ένα ορυχείο κοντά στο Σέφιλντ της Αγγλίας. Αλλά και στο Νότιο Πόλο το πρόγραμμα IceCube είναι υπό κατασκευή και που θα χρησιμοποιήσει οπτικούς αισθητήρες θαμμένους βαθιά μέσα στον πάγο για να ψάξουν για νετρίνα, υψηλής ενέργειας σωματίδια που είναι υπογραφές των WIMP που εξαϋλώνονται.

Εν τω μεταξύ, το πρόγραμμα CDMS ΙΙ συνεχίζει να εξελίσσεται. Οι ερευνητές του χτίζουν ολοένα και μεγαλύτερους ανιχνευτές για να αυξήσουν τις πιθανότητες να συλλάβουν τα WIMP. Στο μέλλον, η ομάδα ελπίζει να χτίσει έναν ανιχνευτή με ένα τόνο υγρού, που πρέπει να είναι σε θέση να ανακαλύψει πολλούς από τους πιθανότερους τύπους των WIMPS, εάν φυσικά υπάρχουν.