Η Σκοτεινή Ύλη παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής. Εδώ και δεκαετίες, ερευνητές αναζητούν τα σωματίδια που θα μπορούσαν να εξηγήσουν την αόρατη μάζα που συγκρατεί τους γαλαξίες, αλλά μέχρι στιγμής χωρίς επιτυχία. Υποψήφιοι όπως τα αξιόνια και τα WIMPs (σωματίδια με ασθενή αλληλεπίδραση) αποτέλεσαν δημοφιλείς θεωρητικές λύσεις, όμως κανένα πείραμα δεν κατάφερε να τα εντοπίσει.
Μια νέα θεωρητική πρόταση από επιστήμονες του University of Warsaw και του Max Planck Institute for Gravitational Physics ανοίγει τώρα έναν απρόσμενο δρόμο. Στο επίκεντρο βρίσκονται τα λεγόμενα φορτισμένα γκραβιτόνια, υπερ-βαριά και σταθερά σωματίδια που προκύπτουν από τη θεωρία της υπερβαρύτητας (supergravity). Αν και κουβαλούν ηλεκτρικό φορτίο –κάτι που δεν ταιριάζει με την κλασική εικόνα της «Σκοτεινής» ύλης– η εξαιρετική τους σπανιότητα τα καθιστά αόρατα στις παρατηρήσεις, αφήνοντας ανοιχτό το ενδεχόμενο να αποτελούν το χαμένο κομμάτι του κοσμικού παζλ.
Η θεωρητική βάση: Από το Καθιερωμένο Μοντέλο στην υπερβαρύτητα
Η ιδέα ότι η υπερβαρύτητα μπορεί να κρύβει απαντήσεις δεν είναι καινούρια. Το 1981 ο νομπελίστας Murray Gell-Mann είχε επισημάνει ότι τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου, δηλαδή τα κουάρκ και τα λεπτόνια, εντάσσονται με φυσικό τρόπο στη μαθηματική δομή της θεωρίας N=8 supergravity. Η θεωρία αυτή συνδυάζει σωματίδια ύλης με βαρυτικά σωματίδια, όπως το γκραβιτόνιο.
Ωστόσο, υπήρχε ένα σοβαρό πρόβλημα: τα ηλεκτρικά φορτία των σωματιδίων δεν ταίριαζαν με όσα γνωρίζουμε. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο εμφανιζόταν με φορτίο -5/6 αντί για -1. Χρειάστηκαν δεκαετίες μέχρι οι Krzysztof Meissner και Hermann Nicolai να αναδιατυπώσουν τη θεωρία, διορθώνοντας τα φορτία και δείχνοντας ότι η υπερβαρύτητα μπορεί πράγματι να συνδεθεί με τον κόσμο που παρατηρούμε.
Μια από τις πιο απρόσμενες συνέπειες αυτής της τροποποίησης ήταν ότι τα γκραβιτόνια εμφανίζονται με τεράστια μάζα, κοντά στην κλίμακα Planck – δηλαδή περίπου ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια φορές πιο βαριά από ένα πρωτόνιο – και ταυτόχρονα με ηλεκτρικό φορτίο: έξι από αυτά με ±1/3 και δύο με ±2/3. Τα δύο τελευταία θεωρούνται οι πιο πιθανοί υποψήφιοι για τη Σκοτεινή Ύλη, καθώς λόγω της σταθερότητάς τους δεν μπορούν να διασπαστούν σε άλλα σωματίδια.
Από τη θεωρία στο πείραμα
Η μεγάλη πρόκληση είναι πώς μπορεί κανείς να ανιχνεύσει τέτοιου είδους σπάνια σωματίδια. Σύμφωνα με υπολογισμούς, στην κλίμακα του Ηλιακού Συστήματος μπορεί να υπάρχει μόλις ένα γκραβιτόνιο σε όγκο 10.000 κυβικών χιλιομέτρων. Με αυτή τη σπανιότητα, τα συμβατικά ανιχνευτικά πειράματα δεν έχουν καμία ελπίδα.
Ωστόσο, τα φορτισμένα γκραβιτόνια προσφέρουν κάτι νέο: το ηλεκτρικό τους φορτίο αφήνει ένα διακριτό ίχνος όταν διασχίζουν ορισμένα είδη ανιχνευτών. Εδώ μπαίνουν στο παιχνίδι εγκαταστάσεις που σχεδιάστηκαν για άλλους σκοπούς, όπως το JUNO στην Κίνα και το DUNE στις ΗΠΑ. Πρόκειται για γιγαντιαία υπόγεια πειράματα που χρησιμοποιούν τεράστιους όγκους υγρού σπινθηριστή ή υγρού αργού για τη μελέτη νετρίνων.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι ίδιες τεχνολογίες θα μπορούσαν να καταγράψουν τα μοναδικά σήματα ενός gravitino. Το JUNO, για παράδειγμα, περιλαμβάνει 20.000 τόνους ειδικού υγρού μέσα σε σφαιρικό δοχείο 40 μέτρων, περιτριγυρισμένο από περισσότερους από 17.000 φωτοπολλαπλασιαστές. Η χωρητικότητα αυτή, απαραίτητη για να ανιχνευτούν τα σπάνια νετρίνα, μπορεί να αποδειχθεί το κλειδί για να «πιαστεί στα πράσα» και η Σκοτεινή Ύλη.
Οι προσομοιώσεις που δίνουν ελπίδα
Μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Research περιγράφει λεπτομερείς προσομοιώσεις για το πώς θα έμοιαζε η διέλευση ενός γκραβιτονίου μέσα από το JUNO. Η ομάδα Meissner, Nicolai, Adrianna Kruk και Michal Lesiuk συνδύασε τη φυσική σωματιδίων με προηγμένες μεθόδους κβαντικής χημείας για να υπολογίσει τα πιθανά σήματα.
Έπρεπε να ληφθούν υπόψη πολλοί θόρυβοι που θα μπορούσαν να μπερδέψουν τα δεδομένα – από τη ραδιενεργό διάσπαση του άνθρακα-14 στο υγρό μέχρι τον «σκοτεινό» θόρυβο των φωτοπολλαπλασιαστών. Οι υπολογισμοί, που απαίτησαν τεράστια υπολογιστική ισχύ, έδειξαν ότι το πέρασμα ενός γκραβιτονίου θα άφηνε ένα απολύτως μοναδικό ίχνος, αδύνατο να συγχέεται με γνωστά σωματίδια.
Γιατί έχει σημασία η ανακάλυψη
Η πιθανή ανίχνευση των υπερβαρέων γκραβιτόνιων δεν θα έλυνε μόνο το αίνιγμα της Σκοτεινής Ύλης, αλλά θα άνοιγε και ένα παράθυρο προς μια ενοποιημένη θεωρία της φύσης. Τα γκραβιτόνια, με μάζα κοντά στην κλίμακα Planck, θα αποτελούσαν την πρώτη άμεση πειραματική απόδειξη φαινομένων που αγγίζουν τα θεμέλια της βαρύτητας και της κβαντικής φυσικής.
Η επιστημονική κοινότητα συγκρίνει αυτή την προοπτική με την αυγή της κβαντομηχανικής ή την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs. Μια τέτοια ανακάλυψη θα μπορούσε να μεταμορφώσει την κατανόησή μας για το Σύμπαν και να προσφέρει το πρώτο βήμα προς την πολυπόθητη ενοποίηση όλων των θεμελιωδών δυνάμεων.
Ένα στοίχημα με το άγνωστο
Φυσικά, η ανίχνευση παραμένει εξαιρετικά δύσκολη. Η σπανιότητα των σωματιδίων αυτών σημαίνει ότι ίσως χρειαστεί να περιμένουμε χρόνια μέχρι να καταγραφεί ένα καθαρό σήμα. Όμως, με την έναρξη λειτουργίας των μεγάλων υπόγειων ανιχνευτών όπως το JUNO και το DUNE, η πιθανότητα παύει να είναι καθαρά θεωρητική.
[via]
