Ανιχνεύσαμε τα πρώτα σωματίδια σκοτεινής ύλης;

Στον αγώνα για την κατανόηση του Σύμπαντος συναντιούνται πολλοί κλάδοι της φυσικής, όπως η αστροφυσική, η φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, η επιστήμη των υλικών κ.ά. Πρόκειται πραγματικά για ένα πεδίο έρευνας όπου η έρευνα στις μικρότερες δυνατές κλίμακες (υποατομικά σωματίδια) συναντά αυτή που αφορά τους μεγαλύτερους σχηματισμούς τους Σύμπαντος (γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών)

Η σκοτεινή ύλη και τα συστατικά της

Στον αγώνα για την κατανόηση του Σύμπαντος συναντιούνται πολλοί κλάδοι της φυσικής, όπως η αστροφυσική, η φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, η επιστήμη των υλικών κ.ά. Πρόκειται πραγματικά για ένα πεδίο έρευνας όπου η έρευνα στις μικρότερες δυνατές κλίμακες (υποατομικά σωματίδια) συναντά αυτή που αφορά τους μεγαλύτερους σχηματισμούς τους Σύμπαντος (γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών).

Κεντρικό ερώτημα σε αυτή την προσπάθεια: Από τι είναι φτιαγμένο το Σύμπαν; Όπως έχουμε αναφέρει και σε προηγούμενα άρθρα, το συντριπτικά μεγαλύτερο μέρος του διαφεύγει των δυνατοτήτων παρατήρησης. Μόλις ένα 5% βρίσκεται σε μορφή παρατηρήσιμης ύλης, ενώ περίπου το ένα τέταρτο αποτελείται από σκοτεινή ύλη.

Η σκοτεινή και η «κανονική» ύλη αλληλεπιδρούν μέσω της βαρύτητας και δίνουν στους γαλαξίες του Σύμπαντος τη μορφή και τις ιδιότητές τους. Το παζλ συμπληρώνεται από την, ακόμη πιο μυστηριώδη, σκοτεινή ενέργεια, η οποία εξασφαλίζει τη διαστολή του Σύμπαντος με τρόπους που ακόμη προσπαθούμε να κατανοήσουμε.

Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενο άρθρο, τα πρώτα σημάδια για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης εντοπίστηκαν τη δεκαετία του 1930 και από τη δεκαετία του 1970 θεωρείται πλέον δεδομένη. Τότε οι επιστήμονες άρχισαν να διατυπώνουν πιθανά σενάρια για την ταυτότητα της σκοτεινής ύλης και πώς θα μπορούσε αυτή να ανιχνευθεί, συνδυάζοντας αστρονομικές παρατηρήσεις με ευρήματα σε πειράματα επιταχυντών και θεωρητικές προβλέψεις της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Από την τελευταία έρχονται κάποια από τα υποψήφια σωματίδια που μπορεί να αποτελούν τη σκοτεινή ύλη. Στην προσπάθειά μας να ενοποιήσουμε τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις και τα στοιχειώδη σωματίδια σε ένα ολοκληρωμένο οικοδόμημα, έχουμε οδηγηθεί στο Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model). Στο πλαίσιο αυτού του προτύπου υπάρχουν ακόμη «κενά» (αναπάντητα ερωτήματα), τα οποία ενδεχομένως να γεφυρώνονται εάν υπάρχουν κάποια σωματίδια, τα οποία δεν έχουν ανιχνευθεί ακόμη.

Ένα από αυτά είναι το αξιόνιο, η ύπαρξη του οποίου προτάθηκε το 1977 και θα μπορούσε να εξηγήσει κάποιες από τις ιδιότητες της ισχυρής αλληλεπίδρασης (της δύναμης που εμφανίζεται ανάμεσα στα κουάρκ, τα συστατικά των πρωτονίων και των νετρονίων). Αν υπάρχουν, τα αξιόνια θα πρέπει να έχουν εξαιρετικά μικρή μάζα, αλλά είναι πιθανό να έχουν σχηματιστεί σε τεράστιες ποσότητες κατά τη Μεγάλη Έκρηξη γεμίζοντας το Σύμπαν, αλληλεπιδρώντας όμως πολύ ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη.

Άλλες πιθανές πηγές αξιονίων είναι οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό των αστεριών. Επομένως αποτελούν ένα πιθανό συστατικό της σκοτεινή ύλης, το οποίο όμως δεν έχει ανιχνευτεί μέχρι στιγμής.

Στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Προτύπου έχουν προταθεί και άλλα τέτοια σωματίδια, ικανά να εξηγήσουν κάποιες από τις ιδιότητες που εμφανίζουν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων, αλλά και να ενσωματώσουν στο πρότυπο τη δύναμη της βαρύτητας.

Τα σωματίδια αυτά, τα οποία έχουν κατά κανόνα σημαντική μάζα, ονομάζονται συλλογικά ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια (weakly interacting massive particles, WIMPS) και αναδείχθηκαν ως πιθανά συστατικά της σκοτεινής ύλης στα μέσα της δεκαετίας του 1980, στο πλαίσιο της υπερσυμμετρίας, μιας πιθανής βελτίωσης του Καθιερωμένου Προτύπου.

Τα WIMPS θα μπορούσαν, λοιπόν, να βρίσκονται σε αφθονία στο Σύμπαν και να αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη. Ωστόσο τα σωματίδια αυτά δεν έχουν ανιχνευτεί τόσο από ανιχνευτές όσο και στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή του CERN, κάτι που οδηγεί και στην αμφισβήτηση της ίδιας της υπερσυμμετρίας.

Ένα πιο πρόσφατο σενάριο είναι αυτό των ισχυρά αλληλεπιδρώντων μαζικών σωματιδίων (strongly interacting massive particles, SIMPS). Αυτά θα μπορούσαν να είναι πιο σύνθετα σωματίδια και όχι θεμελιώδη όπως τα WIMPS, τα οποία θα αλληλεπιδρούσαν σε μεγαλύτερο βαθμό με τη συνήθη ύλη. Αυτή η ιδιότητά τους θα μπορούσε να εξηγήσει κάποιες από τις παρατηρήσεις γαλαξιών, οι οποίες δείχνουν ότι η σκοτεινή ύλη είναι κατανεμημένη σχεδόν ομοιόμορφα, παρότι οι προσομοιώσεις που βασίζονται σε WIMPS προβλέπουν ότι θα έπρεπε να σχηματίζει τοπικές συγκεντρώσεις.

Τέλος, ένα απλούστερο αλλά λιγότερο πιθανό σενάριο προβλέπει ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από μαζικά συμπαγή αντικείμενα της άλω (massive astrophysical compact halo objects, MACHOs). Τα αντικείμενα αυτά είναι μαζικά αστροφυσικά αντικείμενα, όπως σκοτεινοί πλανήτες, μελανές οπές, αμυδροί λευκοί νάνοι και αστέρες νετρονίων ή αστέρια που δεν κατάφεραν να «γεννηθούν». Δυστυχώς οι υπολογισμοί με βάση τα μοντέλα αστρικής εξέλιξης και εξέλιξης των γαλαξιών δεν προβλέπουν επαρκείς ποσότητες από αυτά τα αντικείμενα ώστε να μπορούν να «αναπληρώσουν» τη σκοτεινή ύλη.

Το πείραμα ΧΕΝΟΝ

Η πιο ευαίσθητη διάταξη ανίχνευσης σκοτεινής ύλης βρίσκεται σε βάθος περίπου ενάμισι χιλιομέτρου κάτω από το όρος Gran Sasso της Ιταλίας. Αποτελείται από μια δεξαμενή που περιέχει 62 κιλά ευγενούς αερίου Ξένο (Xe) σε υγρή μορφή. Η αρχή λειτουργίας της συσκευής βασίζεται στο ότι, εάν ένα σωματίδιο διαπεράσει το υγρό, θα προκαλέσει την εκπομπή ηλεκτρονίων λόγω της αλληλεπίδρασής τους με τα άτομα που το απαρτίζουν.

Το Ξένο είναι ένα ευγενές αέριο, επομένως δεν αντιδρά εύκολα με άλλα χημικά στοιχεία και η τοποθέτησή του σε μεγάλο βάθος εξασφαλίζει την ελάχιστη αλληλεπίδραση με άλλα «συνήθη» σωματίδια κοσμικών ακτίνων, τα οποία διαπερνούν τον πλανήτη μας. Η δεξαμενή περιστοιχίζεται από συσκευές ενίσχυσης και ανίχνευσης των ασθενών ηλεκτρικών σημάτων που παράγονται από τις αλληλεπιδράσεις.

Μεγάλο μέρος της διαδικασίας ανίχνευσης αποτελεί ο προσδιορισμός των παραγόντων θορύβου, δηλαδή των μετρήσεων που δεν οφείλονται στα προσδοκώμενα σωματίδια σκοτεινής ύλης που θέλουμε να ανιχνεύσουμε με το XENON, αλλά σε άλλες διαδικασίες. Αυτές μπορεί να είναι, για παράδειγμα, κοσμικές ακτίνες, νετρίνα, ραδιενεργές διασπάσεις που συμβαίνουν στο υπέδαφος, νετρόνια και μιόνια (τα βαρύτερα «ξαδέλφια» των ηλεκτρονίων).

Προφανώς, όπως ήδη αναφέρθηκε, η τοποθέτηση της διάταξης σε τόσο μεγάλο βάθος και η θωράκισή της ελαχιστοποιούν αλλά δεν εκμηδενίζουν αυτούς τους παράγοντες.

Το πείραμα XENON αναβαθμίστηκε πρόσφατα στο XENON1t και σύντομα θα τεθεί σε λειτουργία η τελευταία εκδοχή του, η XENONnT. Μέχρι στιγμής ο ανιχνευτής XENON αποτελεί τον πιο ακριβή και ευαίσθητο ανιχνευτή σημάτων και οι μετρήσεις του έχουν χρησιμοποιηθεί για να περιοριστούν οι προβλέψεις των πιθανών σεναρίων για τη σύσταση της σκοτεινής ύλης.

Ανίχνευσε σωματίδια της σκοτεινής ύλης το XENON;

Η ομάδα που λειτουργεί τον ανιχνευτή XENON ανακοίνωσε μόλις πριν από μερικές ημέρες (στις 17 Ιουνίου 2020) τον εντοπισμό σήματος ισχυρότερου του αναμενόμενου υποβάθρου, με πολύ σημαντικές πιθανές επιπτώσεις σε όσα γνωρίζουμε μέχρι στιγμής για τη σκοτεινή ύλη. Τα ευρήματα του ανιχνευτή αποκτούν μεγαλύτερη σημασία αν αναλογιστεί κάποιος ότι η ίδια διάταξη έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν ως σημείο αναφοράς για να εξακριβωθεί η ορθότητα πιθανών ανιχνεύσεων από άλλες επιστημονικές ομάδες.

Τι εντόπισε λοιπόν η ομάδα του XENON; Η διάταξη του πειράματος είναι ευαίσθητη σε γεγονότα (δηλαδή αλληλεπιδράσεις μεταξύ των προσπιπτουσών ακτίνων και των ατόμων Xe) διαφόρων ενεργειών, από μερικές χιλιάδες έως μερικά δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Ως ηλεκτρονιοβόλτ (eV) ορίζεται η μονάδα ενέργειας που αντιστοιχεί στην κινητική ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο όταν επιταχύνεται από διαφορά δυναμικού ενός Volt και είναι η μονάδα που κατεξοχήν χρησιμοποιείται στην σωματιδιακή φυσική.

Σωματίδια της ομάδας των WIMP θα ήταν αναμενόμενο να εντοπιστούν μέσω γεγονότων ενέργειας μερικών δισεκατομμυρίων eV. Αυτό που εντόπισε ωστόσο η ομάδα ήταν ένα πλεόνασμα 53 γεγονότων στην μπάντα των χιλιάδων eV, δηλαδή 287 αντί για 232 που ήταν αναμενόμενα μετά τη βαθμονόμηση του ανιχνευτή. Η διαφορά αυτή, αν και φαινομενικά μικρή, είναι πολύ πιθανό να αντιστοιχεί σε πραγματικό σήμα και το μόνο που απομένει είναι να βρεθεί η αιτία του.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το πιθανότατα πραγματικό αυτό σήμα δεν αποτελεί ακλόνητη ένδειξη σκοτεινής ύλης. Οι ερευνητές της ομάδας έχουν προτείνει τρία πιθανά σενάρια, που μπορεί να έχουν προκαλέσει αυτά τα γεγονότα.

Ο πρώτος έλεγχος που γίνεται πάντοτε σε αυτές τις περιπτώσεις είναι να εξακριβωθεί κατά πόσον το σήμα μπορεί να οφείλεται σε κάποια πηγή θορύβου η οποία να μην έχει ληφθεί υπόψη κατά τη βαθμονόμηση του οργάνου. Μια από αυτές μπορεί να είναι η ύπαρξη τριτίου στο νερό που περιστοιχίζει τη συσκευή. Το τρίτιο είναι ένα ισότοπο του υδρογόνου, το οποίο περιέχει στον πυρήνα του δυο επιπλέον νετρόνια (ο πυρήνας του υδρογόνου αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο).

Τα μιόνια των κοσμικών ακτίνων, αν και η επίδρασή τους έχει ληφθεί υπόψη στις μετρήσεις του XENON, μπορεί να έχουν δημιουργήσει τρίτιο αλληλεπιδρώντας με το υδρογόνο του νερού. Η εξήγηση αυτή θα είναι η λιγότερο ενδιαφέρουσα, αλλά δεν μπορεί να αποκλειστεί, παρότι είναι πολύ δύσκολο να εξακριβωθεί χρησιμοποιώντας ανεξάρτητες μετρήσεις.

Μια άλλη πιθανή εξήγηση του σήματος μπορεί να οφείλεται στα νετρίνα. Τα νετρίνα είναι σωματίδια που διαπερνούν τον πλανήτη μας σε τεράστιες ποσότητες, αλλά αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη. Η συνεισφορά των νετρίνων έχει ληφθεί υπόψη, ωστόσο, αν κάποια από αυτά παρουσιάζουν μαγνητικές ιδιότητες πέραν του αναμενόμενου (δηλαδή μαγνητική διπολική ροπή περίπου ένα δισεκατομμύριο μεγαλύτερη από ό,τι προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο), μπορεί να έχουν προκαλέσει το σήμα που κατεγράφη.

Πάντως, μετρήσεις από ανεξάρτητα πειράματα και προηγούμενες μελέτες δείχνουν ότι η πιθανότητα τα νετρίνα να έχουν κάποια μέχρι στιγμής άγνωστη ιδιότητα δεν είναι μεγάλη.

Τέλος, ένα πιθανό και συναρπαστικό σενάριο είναι το σήμα που ανιχνεύθηκε στο XENON να οφείλεται στα αξιόνια. Αυτά θα μπορούσαν να παράγονται σε μεγάλες ποσότητες στο εσωτερικό του Ήλιου και κάποια από αυτά να ανιχνεύονται από το XENON.

Επιπλέον η ανίχνευση των γεγονότων σε τόσο συγκεκριμένες ενέργειες δείχνει ότι αυτά δεν οφείλονται γενικώς σε σωματίδια σκοτεινής ύλης, αλλά θα μπορούσαν να οφείλονται μόνο σε αξιόνια, αν αποκλειστούν, φυσικά, τα άλλα δυο ενδεχόμενα.

Όποιο και αν είναι το αποτέλεσμα, πάντως, οι μετρήσεις του XENON αποτελούν μια από τις σημαντικότερες πρόσφατες εξελίξεις, αφού είναι πολύ πιθανό είτε να δώσουν μια πρώτη απάντηση σε ένα θεμελιώδες ερώτημα είτε να μας αναγκάσουν να αναθεωρήσουμε πολλά από αυτά που πιστεύαμε ότι γνωρίζουμε για τα στοιχειώδη σωματίδια.

Γιάννης Κοντογιάννης


https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/06/17/is-it-dark-matter-mystery-signal-goes-bump-in-worlds-most-sensitive-detector/?fbclid=IwAR2mWNsFDtM4_2CkB-me4jEoYiyoHlD5M4nPCs-GuenI0BGp4SFVmfafxqQ#2ab95b367179

http://www.xenon1t.org/

https://www.discovermagazine.com/the-sciences/what-is-dark-matter-made-of-these-are-the-top-candidates

https://www.avgi.gr/article/10965/11232605/anichneusame-ta-prota-somatidia-skoteines-yles-