Ερευνητές προσπαθούν να δημιουργήσουν σκοτεινή ύλη

Το κυνήγι των άπιαστων σωματιδίων συνεχίζεται

●Η σκοτεινή ύλη υπάρχει, αλλά οι επιστήμονες δεν ξέρουν από τι αποτελείται. 
●Το αξιόνιο είναι ένα από υποψήφια σωματίδια σκοτεινής ύλης, αλλά δεν έχει ανιχνευθεί ποτέ. 
● Ένα πρόσφατο πείραμα θέτει υπό αμφισβήτηση την ύπαρξη «βαρέων αξιονίων».
●Η απόρριψη των θεωριών της σκοτεινής ύλης είναι πρόοδος. 
●Αν έχετε χάσει τα κλειδιά του αυτοκινήτου σας, κάθε δωμάτιο που ψάχνετε και δεν τα βρίσκετε, σας φέρνει πιο κοντά στο να βρείτε το δωμάτιο στο οποίο τα αφήσατε.

Ζούμε σε ένα σκοτεινό σύμπαν. Παρά τη λάμψη ενός νυχτερινού ουρανού μακριά από τις μεγαλουπόλεις, αυτά τα δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων άστρων και γαλαξιών αποτελούν μόνο ένα μικροσκοπικό κλάσμα της ύλης του σύμπαντος. Μια άγνωστη ουσία που ονομάζεται σκοτεινή ύλη είναι πέντε φορές περισσότερη από τη γνωστή ύλη των ατόμων.

Και παρά τις προσπάθειες δεκαετιών, δεν έχει βρεθεί καμία άμεση απόδειξη για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Τώρα, χρησιμοποιώντας έναν ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων, ερευνητές στο Fermilab προσπάθησαν να δημιουργήσουν μια πολύ ελαφριά μορφή σκοτεινής ύλης και δημοσίευσαν πρόσφατα τα αποτελέσματά τους.

Ζούμε σε ένα σύμπαν WIMPy;

Για δεκαετίες, οι ερευνητές φαντάζονταν τη σκοτεινή ύλη ως σταθερά, ηλεκτρικά ουδέτερα, υποατομικά σωματίδια, με μάζα εκατοντάδες ή και χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από την μάζα του πρωτονίου. Αυτά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη, ίσως να βιώνουν μόνο τη δύναμη της βαρύτητας. Τέτοια υποθετικά σωματίδια ονομάζονται WIMPs Weakly Interacting Massive Particles= Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα). Στο παρελθόν έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για την επικύρωση ή την απόρριψη αυτού του μοντέλου, αλλά δεν ανιχνεύθηκαν τα WIMPs.

Η αποτυχία εύρεσης των WIMPs ανάγκασε ορισμένους ερευνητές να εξετάσουν διαφορετικές εναλλακτικές λύσεις. Κι αν η σκοτεινή ύλη είναι πολύ ελαφρύτερη, ας πούμε δισεκατομμύρια φορές ελαφρύτερη; Ενώ αυτή η εικασία φαίνεται ακραία, οι ερευνητές που μελετούν ένα άλλο κβαντικό μυστήριο ανέπτυξαν μια θεωρία που προβλέπει ένα διαφορετικό πιθανό σωματίδιο της σκοτεινής ύλης. Αυτό το σωματίδιο είναι το αξιόνιο .

Αντιύλη κα Αξιόνια

Η αντιύλη είναι το αντίθετο της συνηθισμένης ύλης και δεν μπορούν να συνυπάρξουν μαζί. Η αντιύλη και η αντίστοιχη μορφή ύλης, όταν συναντώνται εξαφανίζονται. Όλα τα γνωστά υποατομικά σωματίδια, όπως τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια διαθέτουν τα αντίστοιχα σωματίδια αντιύλης, τα οποία έχουν ανιχνευθεί. Μάλιστα οι φυσικοί κατάφεραν να δημιουργήσουν και μερικά άτομα αντιύλης. 

Η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι αυτή που συγκρατεί τους ατομικούς πυρήνες. Η θεωρία που περιγράφει την συμπεριφορά της, μας λέει ότι η ισχυρή δύναμη αντιμετωπίζει την ύλη και την αντιύλη διαφορετικά, ωστόσο τα πειράματα δεν δείχνουν καμία διαφορά. Ακριβείς μετρήσεις δείχνουν ότι η ισχυρή δύναμη αντιμετωπίζει την ύλη και την αντιύλη με τον ίδιο τρόπο.

Υπάρχει μια αρχή, που ονομάζεται totalitarian principle, που λέει: «Ό,τι δεν απαγορεύεται είναι υποχρεωτικό». Σημαίνει πως οτιδήποτε μπορεί να συμβεί θα συμβεί. Κι αν δεν συμβεί, υπάρχει κάποιο φυσικό φαινόμενο που απαγορεύει την κατά τα άλλα πιθανή συμπεριφορά. Επομένως, τι εμποδίζει την ισχυρή δύναμη να αλληλεπιδρά με διαφορετικό τρόπο με την ύλη και την αντιύλη;

Ενώ η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι άγνωστη, το 1977, οι Roberto Peccei και Helen Quinn πρότειναν μια θεωρία που εξισορροπούσε ακριβώς την ικανότητα της ισχυρής δύναμης να επιτρέπει διαφορές μεταξύ ύλης και αντιύλης. Μια συνέπεια αυτής της θεωρίας είναι ότι προέβλεψε την ύπαρξη ενός σωματιδίου που ονομάζεται αξιόνιο. Θα είχε πολύ μικρή μάζα, θα ήταν ηλεκτρικά ουδέτερο και θα είχε δημιουργηθεί σε μεγάλες ποσότητες κατά τις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης. Έτσι, το αξιόνιο αποτελεί υποψήφιο σωματίδιο σκοτεινής ύλης.

Προς αναζήτηση αξιονίων

Εφόσον το αξιόνιο δεν ανιχνεύθηκε ακόμα – βέβαια, θα μπορούσε να μην υπάρχει καν – η μάζα του είναι άγνωστη. Ωστόσο, πολλοί υπολογισμοί υποδεικνύουν ότι η μάζα του θα πρέπει να είναι πολύ μικρή, της τάξης του ενός δισεκατομμυριοστού της μάζας ενός ηλεκτρονίου. Οι ερευνητές έψαξαν για τέτοιου είδους αξιόνια, με πολύ μικρή μάζα, χρησιμοποιώντας μια ποικιλία έξυπνων τεχνικών, αλλά αυτές οι προσπάθειες δεν κατέληξαν πουθενά

Δεδομένης της αποτυχίας εύρεσης αξιονίων μικρής μάζας, οι ερευνητές διατύπωσαν μια άλλη υπόθεση. Υπέθεσαν ότι το αξιόνιο είχε μεγαλύτερη μάζα από την αναμενόμενη, ας πούμε, μερικές εκατοντάδες έως μερικές χιλιάδες φορές την μάζα του ηλεκτρονίου. Καθώς δεν είχε γίνει καμία προσπάθεια αναζήτησης ενός τέτοιου αξιονίου, οι ερευνητές στο Fermilab χρησιμοποίησαν τον ανιχνευτή ArgoNeuT για να το αναζητήσουν.

Ο ανιχνευτής ArgoNeuT χρησιμοποιεί 250 κιλά υγρού αργού και κατασκευάστηκε για να μελετηθούν οι αλληλεπιδράσεις δέσμης νετρίνων. Αν υπάρχουν αυτά τα βαρύτερα αξιόνια, τότε θα μπορούσαν να διασπαστούν στον ανιχνευτή ArgoNeuT προς ένα ζεύγος μιονίων. Τα μιόνια ανιχνεύονται πολύ εύκολα, αφού είναι σαν τα ηλεκτρόνια με μεγαλύτερη μάζα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον επιταχυντή Fermilab για τις συγκρούσεις 1,25 × 10²⁰ πρωτονίων υψηλής ενέργειας (120 GeV) σε έναν στόχο από γραφίτη με σκοπό την παραγωγή των υποθετικών αξιονίων, τα οποία στην συνέχεια θα έπρεπε να διασπώνται σε προς ζεύγος μιονίων: 

α→μ⁺+μ^-

Μια νέα μέθοδος αναζήτησης των υποθετικών αξιονίων είναι η ανίχνευση της διάσπασής τους προς ζεύγος μιονίου-αντιμιονίου

Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι αν δεν υπήρχαν τα αξιόνια, θα παρατηρούσαν λιγότερα ζεύγη μιονίων με τις κατάλληλες ιδιότητες. Όταν πραγματοποιήθηκε το πείραμα, δεν προέκυψε ο κατάλληλος αριθμός ζευγών μιονίων, επομένως δεν σχηματίστηκαν αξιόνια. Έτσι, οι ερευνητές απέκλεισαν την πιθανότητα να παράγονται βαριά αξόνια που διασπώνται προς δύο μιόνια.

Όταν η αποτυχία σημαίνει επιτυχία

Η αποτυχία παρατήρησης ενός φαινομένου δεν είναι ποτέ τόσο συναρπαστική όσο η παρατήρηση ενός υπαρκτού φαινομένου. Όμως το πείραμα θεωρείται επιτυχημένο. Δεδομένου ότι οι ερευνητές πιστεύουν ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη και ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να εξηγήσει τις παρατηρήσεις των αστρονόμων, είναι σημαντικό να διερευνηθούν όλες οι πιθανότητες. Εξάλλου, ο αποκλεισμός των θεωριών της σκοτεινής ύλης είναι πρόοδος. Αν έχετε χάσει τα κλειδιά του αυτοκινήτου σας, κάθε δωμάτιο που ψάχνετε και δεν τα βρίσκετε, σας φέρνει πιο κοντά στο να βρείτε το δωμάτιο στο οποίο τα αφήσατε.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο του Don Linciln με τίτλο: Researchers attempt to create dark matter