Το μποζόνιο Higgs εξετάστηκε ως πηγή σκοτεινής ύλης στον LHC

Ένα μοντέλο σύγκρουσης πρωτονίων-πρωτονίων στο LHC το οποίο παράγει ένα μποζόνιο Higgs

Έχει υπολογιστεί ότι η σκοτεινή ύλη είναι πενταπλάσια από την κανονική ύλη στο σύμπαν – και όμως, δεν την έχουμε εντοπίσει άμεσα. Πολλοί διαφορετικοί τύποι πειραμάτων προσπαθούν να την βρουν, αλλά τώρα το CERN έχει συμμετάσχει στο κυνήγι της, εξετάζοντας εάν το διάσημο μποζόνιο Higgs θα μπορούσε να αποσυντεθεί σε σκοτεινή ύλη.

Ο επιταχυντής LHC διερευνά τα μυστικά του σύμπαντος συνθλίβοντας μαζί διάφορα σωματίδια σε απίστευτες ταχύτητες. Με αυτόν τον τρόπο, δημιουργούνται συχνά νέοι και εξωτικοί τύποι σωματιδίων, δίνοντας στους επιστήμονες μια προσωρινή ευκαιρία να μελετήσουν πράγματα που θα ήταν σχεδόν αδύνατο να συναντηθούν φυσικά.

Μία από τις πιο πρωτοποριακές ανακαλύψεις που πραγματοποιήθηκαν από τον LHC είναι το μποζόνιο Higgs το 2012. Αυτό το σωματίδιο που το υπέθεταν από το 1964, ήταν το τελευταίο κομμάτι του παζλ που είχε απομείνει στο πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων, το οποίο πιστεύεται ότι δημιουργεί τα μέσα με τα οποία άλλα στοιχειώδη σωματίδια κερδίζουν μάζα.

Από την ανακάλυψή του, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει το μποζόνιο Higgs ως εργαλείο για τη διερεύνηση κι άλλων μυστηρίων φυσικής σωματιδίων. Το μποζόνιο αποσυντίθεται γρήγορα σε άλλα σωματίδια και προβλέπεται ότι ορισμένα ενδέχεται να μην είναι άμεσα ανιχνεύσιμα από τους ανιχνευτές. 

Αλλά σε αυτήν την περίπτωση, μία μη ανίχνευση είναι πιο συναρπαστική από μια ανίχνευση. Ορισμένοι τύποι σωματιδίων δεν αλληλεπιδρούν πολύ με την κανονική ύλη, οπότε αν το Higgs παράγει τέτοια σωματίδια, θα μπορούσαν να “επιπλέουν”, αγνοώντας τα τοιχώματα του επιταχυντή. Οι επιστήμονες θα παρατηρούσαν τότε κάποια ενέργεια που θα λείπει από τα κατάλοιπα – συντρίμμια και θα μπορούσαν να συμπεράνουν κάποια πράγματα για τα «αόρατα» σωματίδια. 

Μόνο ένα αόρατο προϊόν διάσπασης ταιριάζει στο πρότυπο μοντέλο – εάν το Higgs αποσυντίθεται σε τέσσερα νετρίνα – αλλά αυτό είναι εξαιρετικά απίθανο, με πιθανότητα περίπου 0,1 τοις εκατό. Αυτό σημαίνει ότι εάν οι μη ανιχνεύσεις συμβούν με οποιαδήποτε κανονικότητα, θα μπορούσαμε να σκοντάψουμε σε νέα σωματίδια. 

Και ένα από αυτά τα αόρατα σωματίδια θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη. Αυτό το περίεργο πράγμα λέγεται ότι διαπερνά σε όλο το σύμπαν, συγκρατώντας αποτελεσματικά σαν κόλλα την ορατή ύλη – και όμως παραμένει αόριστη και αόρατη. Η βαρυτική της επίδραση είναι σαφής, αλλά φαίνεται να μην αντανακλά ή να εκπέμπει οποιοδήποτε είδος ακτινοβολίας. 

Δεδομένου του ρόλου του μποζονίου Higgs ως το σωματίδιο που «δίνει» τη μάζα, και αφού η σκοτεινή ύλη είναι ανιχνεύσιμη μόνο μέσω της μάζας του, αυτά τα δύο πρέπει να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Έτσι, σε μια νέα μελέτη, οι επιστήμονες στη συνεργασία ATLAS στο CERN ξεκίνησαν να ελέγξουν αν το μποζόνιο Higgs μπορεί να εξαϋλώνεται – διασπάται σε σκοτεινή ύλη. 

Η ομάδα εξέτασε ολόκληρο το σύνολο δεδομένων από τη δεύτερη εκτέλεση στον επιταχυντή LHC, η οποία πραγματοποιήθηκε μεταξύ του 2015 και του 2018. Σε αυτήν έγιναν περίπου 100 x 10 ^15 συγκρούσεις. Όμως σε όλα αυτά τα δεδομένα, οι ερευνητές δεν βρήκαν καμία περίσσεια αόρατων σωματιδίων πάνω από τον αριθμό του background (φόντου) που θα περίμενε κανείς από τις γνωστές διαδικασίες στο Πρότυπο Μοντέλο. 

Από αυτό, η ομάδα μπόρεσε να περιορίσει το ανώτατο όριο για το πόσο συχνά το μποζόνιο Higgs αποσυντίθεται σε αόρατα σωματίδια – όχι περισσότερο από 13 % του χρόνου. Αυτό μπορεί να ακούγεται πολύ, αλλά προέρχεται από προηγούμενα μοντέλα που υποδηλώνουν ότι θα μπορούσε να συμβεί τόσο συχνά όσο το 30% του χρόνου. 

Οι ερευνητές λένε ότι παρόλο που δεν βρήκαν σημάδια σκοτεινής ύλης αυτή τη φορά, η δουλειά εξακολουθεί να βοηθάει να θέσουμε περιορισμούς στις ιδιότητες του υλικού. Μεταξύ αυτού του πειράματος και των πολλών άλλων που προσπαθούν να την εντοπίσουν, η σκοτεινή ύλη μπορεί να ξεφεύγει σε κάποια μέρη οπότε αποκρύβεται. Ή ίσως, πλησιάζουμε στο να συνειδητοποιούμε ότι δεν υπάρχει αυτή η σκοτεινή ύλη και τα μοντέλα μας πρέπει να τροποποιηθούν. Σε κάθε περίπτωση, η αναζήτηση της συνεχίζεται. 

Η έρευνα παρουσιάστηκε σε σεμινάριο του LHC και δημοσιεύθηκε στο Διαδίκτυο.

Πηγές: CERN , ATLAS, physics4u