Κρυμμένες σκοτεινές δυνάμεις: Μια νέα διάσταση στο χώρο στην προσπάθεια κατανόησης της σκοτεινής ύλης

 10/06/2021

Όπως υποδηλώνει το όνομά της, η σκοτεινή ύλη – υλικό που αποτελεί περίπου το 85% της μάζας στο σύμπαν – δεν εκπέμπει φως, αποφεύγοντας την εύκολη ανίχνευση της. Οι ιδιότητές του, επίσης, παραμένουν αρκετά ασαφείς. Όμως τώρα ένας θεωρητικός φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Riverside, και οι συνεργάτες του έχουν δημοσιεύσει μία εργασία στο περιοδικό Journal of High Energy Physics που δείχνει πώς οι θεωρίες που θέτουν την ύπαρξη ενός νέου τύπου δύναμης θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην εξήγηση των ιδιοτήτων της σκοτεινής ύλης.

«Ζούμε σε έναν ωκεανό σκοτεινής ύλης, αλλά γνωρίζουμε πολύ λίγα για το τι θα μπορούσε να είναι», δήλωσε ο Flip Tanedo, επίκουρος καθηγητής φυσικής και αστρονομίας. «Είναι ένα από τα πιο γνωστά άγνωστα στοιχεία στη φύση. Γνωρίζουμε ότι υπάρχει, αλλά δεν ξέρουμε πώς να την αναζητήσουμε ή γιατί δεν έχει εμφανιστεί εκεί πού την περιμέναμε. »

Οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει τηλεσκόπια, γιγάντια υπόγεια πειράματα και συγκρούσεις για να μάθουν περισσότερα για τη σκοτεινή ύλη τα τελευταία 30 χρόνια, αν και δεν υπάρχουν κάποια θετικά στοιχεία της. Τα αρνητικά στοιχεία, ωστόσο, ανάγκασαν τους θεωρητικούς φυσικούς όπως ο Flip Tanedo  να σκέφτονται πιο δημιουργικά για το τι θα μπορούσε να ήταν η σκοτεινή ύλη.

Η νέα έρευνα, η οποία προτείνει την ύπαρξη μιας επιπλέον διάστασης στον χωροχρόνο για αναζήτηση της σκοτεινής ύλης, αποτελεί μέρος ενός συνεχούς ερευνητικού προγράμματος στο Riverside με επικεφαλής τον Tanedo. Σύμφωνα με αυτήν τη θεωρία, μερικά από τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης δεν συμπεριφέρονται σαν σωματίδια. Στην πραγματικότητα, τα αόρατα σωματίδια αλληλεπιδρούν με ακόμη πιο αόρατα σωματίδια με τέτοιο τρόπο ώστε τα τελευταία να παύουν να συμπεριφέρονται σαν σωματίδια.

«Ο στόχος του ερευνητικού μου προγράμματος τα τελευταία δύο χρόνια είναι να επεκτείνω την ιδέα της σκοτεινής ύλης που να« μιλάει »στις σκοτεινές δυνάμεις», δήλωσε ο Τάνεντο. «Την τελευταία δεκαετία, οι φυσικοί έχουν εκτιμήσει ότι, εκτός από τη σκοτεινή ύλη, οι κρυμμένες σκοτεινές δυνάμεις μπορεί να διέπουν τις αλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης. Αυτές θα μπορούσαν να ξαναγράψουν εντελώς τους κανόνες για το πώς θα έπρεπε να ψάξουμε  για την σκοτεινή ύλη. »

Εάν δύο σωματίδια σκοτεινής ύλης έλκονται ή απωθούνται μεταξύ τους, τότε λειτουργούν οι σκοτεινές δυνάμεις. Ο Τάνεντο εξήγησε ότι οι σκοτεινές δυνάμεις περιγράφονται μαθηματικά από μια θεωρία με επιπλέον διαστάσεις και εμφανίζονται ως ένα σύνολο σωματιδίων που θα μπορούσαν να αντιμετωπίσουν τα αινίγματα που παρατηρούνται σε μικρούς γαλαξίες.

«Το παρατηρούμενο σύμπαν μας έχει τρεις διαστάσεις χώρου. Προτείνουμε να υπάρχει μια τέταρτη διάσταση που μόνο οι σκοτεινές δυνάμεις γνωρίζουν. Η επιπλέον διάσταση μπορεί να εξηγήσει γιατί η σκοτεινή ύλη κρύβεται τόσο καλά από τις προσπάθειές μας να το μελετήσουμε σε ένα εργαστήριο. »

Ο Τάνεντο εξήγησε ότι αν και οι επιπλέον διαστάσεις μπορεί να ακούγονται σαν μια εξωτική ιδέα, είναι στην πραγματικότητα ένα μαθηματικό τέχνασμα για να περιγράψουμε «θεωρίες σύμμορφου πεδίου» (“conformal field theories”) – συνηθισμένες τρισδιάστατες θεωρίες με ιδιαίτερη κβαντομηχανική. Αυτοί οι τύποι θεωριών είναι μαθηματικά πλούσιοι, αλλά δεν περιέχουν συμβατικά σωματίδια και έτσι συνήθως δεν θεωρούνται καλές για την περιγραφή της φύσης. Η μαθηματική ισοδυναμία μεταξύ αυτών των προκλητικών τρισδιάστατων θεωριών και μιας πιο εύχρηστης με πρόσθετη διάσταση  θεωρίας είναι γνωστή ως η ολογραφική αρχή.

«Δεδομένου ότι αυτές οι θεωρίες σύμμορφου πεδίου ήταν δυσεπίλυτες και ασυνήθιστες, δεν είχαν εφαρμοστεί συστηματικά στη σκοτεινή ύλη», πρόσθεσε ο Tanedo. «Αντί να χρησιμοποιούμε αυτήν τη γλώσσα, συνεργαζόμαστε με την ολογραφική πρόσθετης διάστασης θεωρία.»

Το βασικό χαρακτηριστικό της παραπάνω θεωρίας είναι ότι η δύναμη μεταξύ των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης περιγράφεται από έναν άπειρο αριθμό διαφορετικών σωματιδίων με διαφορετικές μάζες που ονομάζονται continuum. Αντιθέτως, οι συνηθισμένες δυνάμεις περιγράφονται από έναν μόνο τύπο σωματιδίου με σταθερή μάζα. Αυτή η κατηγορία συνεχόμενων σκοτεινών τομέων είναι συναρπαστική για τον Tanedo επειδή κάνει κάτι «φρέσκο ​​και διαφορετικό».

Σύμφωνα με τον Tanedo, η προηγούμενη εργασία σε σκοτεινούς τομείς επικεντρωνόταν κυρίως σε θεωρίες που μιμούνται τη συμπεριφορά των ορατών σωματιδίων. Το ερευνητικό του πρόγραμμα όμως διερευνά τους πιο ακραίους τύπους θεωριών που οι περισσότεροι φυσικοί σωματιδίων βρήκαν λιγότερο ενδιαφέρουσες, ίσως επειδή δεν υπάρχουν ανάλογα στον πραγματικό κόσμο.

Στη θεωρία του Tanedo, η δύναμη μεταξύ των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης είναι εκπληκτικά διαφορετική από τις δυνάμεις που αισθάνεται η συνηθισμένη ύλη.

«Για τη βαρυτική δύναμη ή την ηλεκτρική δύναμη που διδάσκω. όταν διπλασιάζετε την απόσταση μεταξύ δύο σωματιδίων, μειώνετε τη δύναμη κατά τέσσερα. Μια συνεχής (continuum) δύναμη, από την άλλη πλευρά, μειώνεται κατά έναν παράγοντα έως και οκτώ. »

Τι επιπτώσεις έχει αυτή η πρόσθετης χωρικής διάστασης σκοτεινή δύναμη; Δεδομένου ότι η συνηθισμένη ύλη μπορεί να μην αλληλεπιδράσει με αυτήν τη σκοτεινή δύναμη, ο Τανέδο στράφηκε στην ιδέα της αυτο-αλληλεπίδρασης σκοτεινής ύλης, μια ιδέα που πρωτοστάτησε ο Hai-Bo Yu, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής και αστρονομίας. Ο Γιου έδειξε ότι ακόμη και αν δεν υπήρχαν αλληλεπιδράσεις με την κανονική ύλη, τα αποτελέσματα αυτών των σκοτεινών δυνάμεων μπορούσαν να παρατηρηθούν έμμεσα στους νάνους σφαιροειδείς γαλαξίες. Η ομάδα του Tanedo βρήκε ότι η συνεχής δύναμη μπορεί να αναπαραγάγει τις παρατηρούμενες αστρικές κινήσεις.

«Το μοντέλο μας προχωράει περισσότερο και καθιστά ευκολότερο από ότι κάνει το σημερινό μοντέλο αυτο-αλληλεπίδρασης της σκοτεινής ύλης, για την εξήγηση της κοσμικής προέλευσης της σκοτεινής ύλης», δήλωσε ο Tanedo.

Στη συνέχεια, η ομάδα του Tanedo θα εξερευνήσει μια συνεχή έκδοση του μοντέλου «σκοτεινού φωτονίου».

«Είναι μια πιο ρεαλιστική εικόνα για μια σκοτεινή δύναμη», δήλωσε ο Tanedo. «Τα σκοτεινά φωτόνια έχουν μελετηθεί με μεγάλη λεπτομέρεια, αλλά το υπερ-διάστατο πλαίσιο μας έχει μερικές εκπλήξεις. Θα εξετάσουμε επίσης την κοσμολογία των σκοτεινών δυνάμεων και τη φυσική των μαύρων οπών. »

Ο Tanedo εργάζεται επιμελώς για τον εντοπισμό «τυφλών σημείων» στην αναζήτηση της ομάδας του για σκοτεινή ύλη.

«Το ερευνητικό μου πρόγραμμα στοχεύει σε μία από τις παραδοχές που κάνουμε για τη φυσική των σωματιδίων: ότι η αλληλεπίδραση των σωματιδίων περιγράφεται καλά με την ανταλλαγή περισσότερων σωματιδίων», είπε. «Ενώ αυτό ισχύει για τη συνηθισμένη ύλη, δεν υπάρχει λόγος να το υποθέσουμε αυτό για τη σκοτεινή ύλη. Οι αλληλεπιδράσεις τους θα μπορούσαν να περιγραφούν από ένα συνεχές από σωματίδια ανταλλαγής και όχι απλώς να ανταλλάξουν ένα μόνο σωματίδιο δύναμης.

Η έρευνα αυτή χρηματοδοτήθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.

ΠΗΓΗ: physics4u.wordpress.com