Στα χνάρια της σκοτεινής ύλης

Κοιτάζοντας το καθρέφτισμα του ήλιου στο νερό ενός πηγαδιού και χάρη στην ευφυΐα του ο Ερατοσθένης, διευθυντής της Βιβλιοθήκης της Αλεξάνδρειας, τον 3ο αιώνα π.Χ., υπολόγισε με μόλις 2% λάθος την περιφέρεια της Γης. Την κίνηση του Ερατοσθένη σήμερα υπάρχουν ερευνητές που τη μιμούνται. Στρέφουν τα μάτια προς τα έγκατα της Γης για να καταλάβουν τι γίνεται εκεί ψηλά. Κατεβαίνουν σε εργαστήρια σκαμμένα βαθιά μέσα στη γη, για να ανακαλύψουν μυστικά σχετικά με σωματίδια που κινούνται παντού στο Σύμπαν και αγκαλιάζουν ολόκληρους γαλαξίες!

Οταν στις 17 Ιουνίου ανακοινώθηκαν οι πρώτες μετρήσεις από ένα πείραμα που ξεκίνησε το 2014, 120 χιλιόμετρα βορειο-ανατολικά της Ρώμης, στο υπόγειο εργαστήριο του Gran Sasso, το νέο έκανε τον γύρο του κόσμου, και όχι άδικα. Τα αποτελέσματα από αυτές τις μετρήσεις τα εξέταζε επί δύο χρόνια περίπου η ομάδα του πειράματος, με τους 135 ερευνητές της να ανήκουν σε 22 διαφορετικούς ερευνητικούς οργανισμούς με προέλευση από την Ευρώπη, τη Μέση Ανατολή και την Αμερική. Και όλα αυτά για να βεβαιωθούν ότι δεν είχε γίνει κάποιο λάθος, αν και οι αμφιβολίες δεν έχουν ακόμη διαλυθεί.

Ποιο ήταν όμως αυτό το νέο; Οτι ίσως να είχε πιστοποιηθεί για πρώτη φορά η ύπαρξη ενός σωματιδίου «άξιον». Και τι το τρομερό, θα σκεφτεί κάποιος, αν βρίσκεται έξω από τη στενή κοινότητα των «κυνηγών της σκοτεινής ύλης» ή έστω αυτών που παρακολουθούν κάπως από πιο κοντά τα σοβαρά επιτεύγματα στην Αστροφυσική. Ενα σωματίδιο ακόμη στα τόσα που έχουν βρεθεί…

Κυνηγώντας το χρυσόμαλλο δέρας

Ο Φριτζ Τζβίκι ήταν ένας ελβετός επιστήμονας που από το 1925 μετανάστευσε στις Ηνωμένες Πολιτείες και εκεί, στο διάσημο California Institute of Technology, μελέτησε τη συμπεριφορά των χιλιάδων γαλαξιών ενός νεφελώματος που φαίνονταν να κινούνται με υπερβολικά μεγάλη ταχύτητα. Τόση ώστε θα έπρεπε να είχαν ξεφύγει από το νεφέλωμα αυτό. Κάτι όμως φαινόταν πως τους επηρέαζε. Και αυτό το κάτι που δεν παρήγαγε φως και έμενε απρόσιτο για τα τηλεσκόπια το ονόμασε «Dunkle Materie», δηλαδή «σκοτεινή ύλη».

Το να ξέρουμε πόση μπορεί να είναι η μάζα ενός ολόκληρου γαλαξία μαζί με την ύλη που δεν βλέπουμε καν φαντάζει σχεδόν σαν έργο ενός μάγου. Αρκετά νωρίς όμως οι άνθρωποι, ήδη από τον 16ο αιώνα περίπου, γνώριζαν πως η τροχιακή ταχύτητα ενός σώματος που περιστρέφεται ομαλά γύρω από κάποιο κέντρο εξαρτάται και από τη μάζα που παρεμβάλλεται ανάμεσα σε αυτό και το κέντρο περιστροφής. Και μάλιστα αν τετραπλασιαστεί η απόσταση από το κέντρο, η ταχύτητα θα πρέπει να πέσει στο μισό.

Αυτή την απλή γνώση επιχείρησαν να χρησιμοποιήσουν για να βρουν και τη μάζα ενός ολόκληρου γαλαξία, αφού μπαίνει και αυτή στον τύπο υπολογισμού. Το επιτύγχαναν μετρώντας την ταχύτητα περιστροφής των άστρων και των διαφόρων αερίων μέσα σε έναν γαλαξία και την απόστασή τους από το κέντρο. Είχαμε φθάσει στο 1970 και πλέον έγινε βεβαιότητα πως η ταχύτητα δεν άλλαζε όσο και αν απομακρυνόσουν από το κέντρο του περιστρεφόμενου γαλαξία.

Ηταν κάτι παράδοξο και τι συμπέρασμα έβγαινε από αυτό; Οτι υπήρχε μια τεράστια αόρατη μάζα, πολύ μεγαλύτερη σε αναλογία με την ορατή, που περιέβαλλε τον κάθε γαλαξία μέχρι τα άκρα του.

Από τότε, και επί πενήντα χρόνια μέχρι σήμερα, χιλιάδες ερευνητές σε ολόκληρο τον κόσμο ψάχνουν να βρουν από τι υλικό είναι φτιαγμένη αυτή η σκοτεινή ύλη. Που όχι μόνον εμπλέκεται στην περιστροφή των γαλαξιών, αλλά έχει ανάμειξη και στο ότι επικράτησε η ύλη έναντι της αντιύλης στο ξεκίνημα του Σύμπαντος και σχετίζεται και με μία προς απόδειξη ακόμη θεωρία, την υπερσυμμετρία, που αν επαληθευτεί θα επιβεβαιώσει πως ο πλέον στοιχειώδης δομικός λίθος της ύλης είναι μια παλλόμενη χορδή, τόσο μικρή που προς το παρόν δεν μπορεί να την πιάσει και το ισχυρότερο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο στον κόσμο. Και όποιος βρει τι τέλος πάντων συνιστά τη σκοτεινή ύλη έχει εξασφαλίσει, και γρήγορα μάλιστα, ένα βραβείο Νομπέλ στη Φυσική.

Και του ύψους και του βάθους

Το ιταλικό εργαστηριακό συγκρότημα του Gran Sasso βρίσκεται σε βάθος 1.400 μέτρων και από επάνω του ένας τεράστιος όγκος συμπαγών βράχων προστατεύει τα πειράματα που διεξάγονται σε αυτό από την κοσμική ακτινοβολία αλλά και από τη ραδιενέργεια. Σε ισοδύναμο νερού η αντιστοιχία είναι σαν να βρίσκεται σε 3.400 μέτρα κάτω από την επιφάνεια!

Εκεί λοιπόν βρήκε τον κατάλληλο χώρο και η ομάδα ΧΕΝΟΝ1Τ για να στήσει το δικό της πείραμα με την Ιταλίδα Ελενα Απρίλε, που διδάσκει στο Πανεπιστήμιο Columbia και είχε ήδη μεγάλη πείρα προηγουμένως στην κατασκευή και ρύθμιση ανιχνευτών σωματιδίων, να έχει το γενικό πρόσταγμα. Ξεκίνησαν το 2004 με ένα δοχείο που περιείχε 100 κιλά υγροποιημένου στοιχείου Ξένον, έφθασαν στους 3 τόνους (με 1 τόνο σε ενεργή κατάσταση), οπότε πήραν τις επίμαχες μετρήσεις και τώρα ετοιμάζονται για νέο πείραμα με 8 τόνους.

Το Ξένον ανήκει στα ευγενή στοιχεία, άρα είναι πολύ σταθερό, παρουσιάζει αντίσταση στο να αντιδρά με άλλους ανεπιθύμητους παράγοντες και υγροποιημένο έχει την απαραίτητη πυκνότητα. Το ζητούμενο είναι να αντιδρά με τα σωματίδια που υποτίθεται πως συγκροτούν τη σκοτεινή ύλη. Είτε είναι αυτά τα πανάλαφρα αξιόνια είτε πρόκειται για «ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια» (WIMPS). Αν και τα τελευταία αυτά φαίνεται πως αρχίζουν να φεύγουν από το προσκήνιο.

Με την προϋπόθεση πως δεν υπάρχει κάποιο άλλο στοιχείο να μολύνει τον όγκο του υγροποιημένου Ξένον, όπως το τρίτιο (δηλαδή υδρογόνο με δύο νετρόνια στον πυρήνα του), να μην υπάρχουν ηλεκτροαρνητικές προσμίξεις, μόρια οξυγόνου που θα «καταβρόχθιζαν» τα πολύτιμα ηλεκτρόνια-δείκτες των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης, για πολλούς μήνες η… παγίδα μένει ανοιχτή και περιμένει. Ενα από τα ζητούμενα «σκοτεινά» σωματίδια θα πρέπει να χτυπήσει σε έναν πυρήνα Ξένον, παράγοντας έναν «σπινθήρα» από φωτόνια και να εξοστρακίσει ταυτόχρονα κάποιο ηλεκτρόνιο από το άτομο του Ξένον. Τα δύο αυτά συμβάντα θα πρέπει να συλληφθούν από τους υπερευαίσθητους ανιχνευτές και να καταγραφούν. Ο λόγος των δύο αυτών συμβάντων, δηλαδή το κλάσμα, θα πρέπει να είναι στην αναμενόμενη ζώνη που προσδιορίζουν οι θεωρητικοί υπολογισμοί.

Ανοιχτά ενδεχόμενα

Στη συγκεκριμένη περίπτωση των μετρήσεων που απλά ανακοινώθηκαν στις 17 Ιουνίου, εκτός από το να έχουν αφήσει το ίχνος τους αξιόνια που έχουν περάσει από τον πυρήνα του Ηλιου μας υπάρχουν άλλες δύο εκδοχές. Η μία είναι να πρόκειται για ένα νέο είδος νετρίνων, που και αυτό είναι πολύ ενδιαφέρον ή, δυστυχώς για την ομάδα, να οφείλονται τα σήματα αυτά σε ανεπιθύμητο τρίτιο που έστω και λίγα άτομά του έχουν εισχωρήσει στους τόνους του υγροποιημένου Ξένον.

Στην ανακοίνωση της ομάδας στις 17 Ιουνίου αναφέρεται πως οι μετρήσεις έγιναν από τον Φεβρουάριο του 2017 έως τον Φεβρουάριο του 2018 και καταγράφηκαν 285 συμβάντα αντί για τα αναμενόμενα 232. Αυτή η μικρή έξαρση των σκοτεινών συμβάντων που χρειάστηκε να μελετηθούν επί δύο ακόμη χρόνια έδωσε την αφορμή για τις μεγάλες προσδοκίες. Αλλά θα πρέπει να περιμένουμε κι άλλο.

Σε όλες τις ηπείρους σήμερα, πλην της Αφρικής, ακόμη και στην Ανταρκτική, έχουν στηθεί πειράματα για το κυνήγι της σκοτεινής ύλης. Απαιτούν πολύπλοκες εγκαταστάσεις, πανάκριβα μηχανήματα που μόνον για να τα συνδέσουν και να τα ρυθμίσουν περνούν χρόνια, προτού τα κατεβάσουν στις υπόγειες «φωλιές» τους και ο ανταγωνισμός είναι αδυσώπητος. Οπως δήλωσε η Ελενα Απρίλε, που ασχολείται δεκαπέντε ολόκληρα χρόνια με ένα τέτοιο κυνήγι, αυτή θα είναι η τελευταία της προσπάθεια. Αλλά σίγουρα το πεδίο δεν θα μείνει χωρίς κυνηγούς.

Η υπερσυμμετρία, η θεωρία των χορδών και τα πειράματα στο CERN

Με την ευκαιρία της δημοσίευσης των μετρήσεων από την ομάδα ΧΕΝΟΝ1Τ, που σίγουρα συζητήθηκαν στους κύκλους των ανθρώπων της Φυσικής, το ΒΗΜΑ-Science έθεσε κάποιες σχετικές με το θέμα ερωτήσεις στον κ. Αλέξανδρο Κεχαγιά, καθηγητή Φυσικής στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο και συνεργάτη του Center for Astroparticle Physics της Γενεύης.

Αν υποθέσουμε πως οι μετρήσεις από την ομάδα Gran Sasso National Laboratory in Italy αποδείξουν την ύπαρξη αξιονίων από τον Ηλιο, τι θα σημαίνει αυτό για διάφορους άλλους τομείς της Φυσικής, όπως είναι η θεωρία της υπερσυμμετρίας, και για τη σύσταση της σκοτεινής ύλης;

«Κατ’ αρχάς να πούμε τι είναι τα axion (αξιόνια στα ελληνικά). Αυτά είναι υποθετικά σωματίδια τα οποία εισήγαγαν ο Ρομπέρτο Πετσέι και η Ελεν Κουίν το 1977 (παρεμπιπτόντως, ο Πετσέι απεβίωσε πριν από τέσσερις εβδομάδες περίπου). Ο λόγος της εισαγωγής των υποθετικών αυτών σωματιδίων ήταν ότι μπορούσαν να εξηγήσουν το “ισχυρό CP πρόβλημα”. Να πούμε εδώ ότι η CP συμμετρία είναι ο συνδυασμός της συμμετρίας αντιστροφής στον χώρο (P) και της συμμετρίας συζυγίας φορτίου (C). Τα αξιόνια αλληλεπιδρούν με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (φωτόνια) και ο κύριος τρόπος ανίχνευσής τους είναι μέσω του φαινομένου Primakoff, όπου αξιόνια μετατρέπονται σε φωτόνια και το αντίστροφο σε υπόβαθρο ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Τα αξιόνια έχουν μάζα, η οποία όμως είναι αναγκαστικά σε ένα μικρό παράθυρο μαζών που προσδιορίζεται από κοσμολογικές και αστροφυσικές παρατηρήσεις. Γενικά υπάρχει η εντύπωση ότι τα αξιόνια υπάρχουν στη φύση (ας μην ξεχνάμε και τη ρήση του Pauli: ό,τι δεν απαγορεύεται είναι υποχρεωτικό) και πιστεύω ότι είναι θέμα χρόνου η ανακάλυψή τους. Η ύπαρξη των σωματιδίων αυτών προβλέπεται σε όλα τα υπερσυμμετρικά μοντέλα που έχουμε, αλλά φυσικά η ανακάλυψή τους δεν θα είναι επιβεβαίωση της υπερσυμμετρίας, εκτός και αν μπορεί να ταυτιστεί με κάποιο συγκεκριμένο αξιονικό σωμάτιο που προβλέπει η υπερσυμμετρία. Πιο σημαντική, κατά τη γνώμη μου, θα είναι η επίδραση της ανακάλυψής τους στην κοσμολογία, αφού θα αποτελεί σίγουρα μια συνιστώσα της – ακόμη να αποκρυπτογραφηθεί – σκοτεινής ύλης. Να σημειώσω εδώ ότι τα αξιόνια μελετώνται και στο πλαίσιο των βαρυτικών κυμάτων».

Η θεωρία για την ύπαρξη των αξιονίων έχει κάποια σχέση με τη θεωρία των χορδών; Και αν ναι, πώς επηρεάζει η μία την άλλη;

«Η θεωρία των χορδών προβλέπει έναν μεγάλο αριθμό από αξιονικά πεδία. Τα πεδία αυτά στην ουσία είναι συνιστώσες διαφορετικών πεδίων που ζουν στις επιπλέον διαστάσεις. Σας θυμίζω ότι η θεωρία των χορδών απαιτεί την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων πέραν αυτών που αντιλαμβανόμαστε. Να θυμηθούμε επίσης ότι όλες οι θεωρίες χορδών προβλέπουν την ύπαρξη βαρύτητας (a prosteriori πρόβλεψη, αλλά πάντως πρόβλεψη), μια αλληλεπίδραση τύπου πέμπτης δύναμης που ο φορέας της είναι ένα βαθμωτό πεδίο, το διλατόνιο (υπερσυμμετρικός σύντροφος του αξιονίου) και ένα αξιόνιο. Η ύπαρξη του τελευταίου είναι ανεξάρτητο μοντέλο, αλλά η μάζα του εξαρτάται από το μοντέλο που θα θεωρήσει κανείς. Η ανακάλυψη του αξιονίου ίσως λοιπόν μας αφήσει να πλησιάσουμε πιο κοντά στη θεωρία χορδών που θέλει να περιγράψει το Σύμπαν όπου ζούμε στο πιο στοιχειώδες του επίπεδο».

Η σκοτεινή ύλη πότε εμφανίζεται στη διαδικασία δημιουργίας του δικού μας Σύμπαντος;

«Η σκοτεινή ύλη δεν ήταν ανάγκη να υπάρχει από την αρχή της δημιουργίας του κόσμου. Εμφανίστηκε όταν η ύλη κυριάρχησε της δυναμικής του Σύμπαντος και η σκοτεινή ύλη είναι μια από της συνιστώσες με συντριπτική συνεισφορά στο σύνολο της ύλης που τελικά δημιουργήθηκε».

Υπάρχει πρόγραμμα έρευνας σχετικά με τη σκοτεινή ύλη αυτή τη στιγμή στο CERN; Είτε θεωρητικό είτε πειραματικό, όταν ανοίξει ξανά ο επιταχυντής; Με ποιο σχέδιο ψάχνουν τι;

«Μετά την ανακάλυψη του σωματιδίου Brout-Englert-Higgs στο CERN, υπήρξε έντονη η αισιοδοξία ότι η Φυσική, πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο, μας περίμενε στη γωνία να την ανακαλύψουμε. Δυστυχώς για μία ακόμη φορά η φύση αποφάσισε να κρατήσει, τουλάχιστον προς το παρόν, τα μυστικά της. Φυσικά η έρευνα συνεχίζεται και πρέπει να είμαστε πάντα αισιόδοξοι ότι τελικά θα μπορέσουν οι προσπάθειες τόσων ανθρώπων να φέρουν αποτέλεσμα. Ας μην ξεχνάμε ότι πολλές φορές η Φυσική προχωρεί με εκπλήξεις. Ενας από τους πιο σοβαρούς υποψηφίους για Φυσική, πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο, είναι η υπερσυμμετρία. Η υπερσυμμετρία, ανάμεσα στα άλλα, προβλέπει και μια πληθώρα σωματιδίων, το ελαφρύτερο από τα οποία θα πρέπει να είναι σταθερό και άρα υποψήφιο και για σκοτεινή ύλη. Αλλά και άλλα σωματίδια σε υπερσυμμετρικές θεωρίες είναι σοβαροί υποψήφιοι για σκοτεινή ύλη. Ποια είναι αυτά τα σωματίδια μένει να το δούμε. Δυστυχώς, αν και δεν έχουμε έλλειψη ιδεών, αυτή τη στιγμή δεν υπάρχουν πειραματικά δεδομένα τα οποία να μας καθοδηγήσουν αποφασιστικά. Ετσι, κατά τη γνώμη μου, αυτό που χρειάζεται είναι να ενισχυθεί η πειραματική προσπάθεια για να μπορέσουμε να απαντήσουμε σε θεμελιώδη ερωτήματα. Σε όλο αυτό το πλαίσιο, δεν μπορεί κανείς να μη σταθεί στο γεγονός ότι η έρευνα στο πολύ μικρό, στον κόσμο δηλαδή των υποατομικών σωματιδίων, μπορεί να δώσει απαντήσεις στο πολύ μεγάλο, δηλαδή στο Σύμπαν που μας περιβάλλει».

https://www.tovima.gr/2020/07/05/science/sta-xnaria-tis-skoteinis-ylis/