Η κυματική φύση της σκοτεινής ύλης

 

Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να αποτελείται από σωματίδια με τόσο μικρή μάζα, ώστε να κυριαρχεί η κυματική φύση τους

 Αν και οι κινήσεις των γαλαξιών μας δίνουν ενδείξεις ότι η σκοτεινή ύλη σίγουρα υπάρχει, μέχρι σήμερα οι επιστήμονες δεν έχουν εντοπίσει άμεσα αυτό το αόρατο είδος ύλης και δεν έχουν ίδέα από τι μπορεί να αποτελείται.

Η θεωρία που επικράτησε σχετικά με την φύση της σκοτεινής ύλης τις τελευταίες δεκαετίες ήταν ότι αποτελείται από σωματίδια που δρουν σαν μικρές, μικροσκοπικές μπάλες που κινούνται στο διάστημα. Η ιδέα αυτή ακούγεται λογική αν λάβουμε υπόψη ότι η γνωστή μας ύλη – ή ύλη από την οποία αποτελούμαστε και βλέπουμε γύρω μας, συνίσταται από σωματίδια. Αλλά τα τελευταία χρόνια, αρκετοί φυσικοί υποστηρίζουν ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει σε μια διαφορετική μορφή: ως αόρατα κύματα.

 Το να κυριαρχεί η κυματική φύση της σκοτεινής ύλης σημαίνει ότι τα σωματίδιά της είναι εξαιρετικά ελαφριά – ένα εκατομμυριοστό ή ακόμα και ένα δισεκατομμυριοστό της μάζας ενός ηλεκτρονίου.
Από τις κοσμολογικές παρατηρήσεις προκύπτει η σκοτεινή ύλη του σύμπαντος είναι λιγο πάνω από 1/4 του συνολικού περιεχομένου του σύμπαντος (βλέπε το παραπάνω διάγραμμα). Όσο πιο ελαφρά είναι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός τους που απαιτείται για να μας δώσουν την συνολική μάζα της στο σύμπαν. Αυτός ο καταιγισμός των σχεδόν χωρίς μάζα σωματιδίων της σκοτεινής ύλης θα την έκανε να συμπεριφέρεται όπως συμπεριφέρονται τα κύματα στο νερό.

Σύμφωνα με την πειραματικό πυρηνικό φυσικό του MIT, Lindley Winslow: «Μπορεί να μην βλέπουμε τα μοτίβα της κυματικής συμβολής, αλλά η σκοτεινή ύλη έχει κυματική συμπεριφορά. Φανταστείτε τα κύματα στον ωκεανό να ρέουν προς την ακτή και να σπρώχνουν έναν κολυμβητή. Αντί να ζούμε ανάμεσα σε σκοτεινά σωματίδια που αναπηδούν γύρω μας, ζούμε ανάμεσα σε σκοτεινά κύματα».

Πολλές θεωρίες περιγράφουν διαφορετικές εκδοχές της κυματοειδούς σκοτεινής ύλης. Ο δημοφιλέστερος υποψήφιος είναι το αξιόνιο της κβαντικής χρωμοδυναμικής ή αξιόνιο QCD.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1970, οι σωματιδιακοί φυσικοί Roberto Peccei και Helen Quinn προσπαθούσαν να λύσουν ένα μακροχρόνιο πρόβλημα στην πυρηνική φυσική, γνωστό ως πρόβλημα CP. Το πρόβλημα προέκυψε από τα πειραματικά δεδομένα όταν η συμμετρία μεταξύ των σωματιδίων ύλης και αντιύλης φαινόταν σπασμένη έτσι ώστε να παραβιάζεται ο τρόπος με τον οποίο κατανοούσαν οι φυσικοί το σύμπαν.

Όταν οι Peccei και Quinn πρότειναν έναν μηχανισμό που θα μπορούσε να συμβιβάσει τα πειραμαμτικά δεδομένα με την θεωρία, συνειδητοποίησαν ότι αυτός ο μηχανισμός θα παρήγαγε ένα σωματίδιο: το αξιόνιο QCD. Τα αξιόνια QCD θα μπορούσαν να είναι τα υπερελαφρά σωματίδια που δεν αλληλεπιδρούν με την γνωστή ύλη, αλλά η βαρυτική τους έλξη θα μπορούσε να εξηγήσει την κίνηση των γαλαξιών που αποδίδονται στη σκοτεινή ύλη.

Είκοσι περίπου χρόνια μετά την υπόθεση του Einstein ότι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, όπως το φως, έχει σωματιδιακή υπόσταση, στα 1924, ο Louis de Broglie (Λουί ντε Μπρολί) διατύπωσε την αρχή του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού της ύλης ότι: «τα σωματίδια έχουν και κυματική συμπεριφορά παράλληλα με τη σωματιδική». Οι σχέσεις που συνδέουν τα σωματιδιακά χαρακτηριστικά Ε (ενέργεια) και p (ορμή) με τα κυματικά χαρακτηριστικά f (συχνότητα) και λ (μήκος κύματος) είναι: και , όπου , η σταθερά του Planck.
Η υπόθεση de Broglie ότι σε κάθε κινούμενο σώμα αντιστοιχεί ένα κύμα συνήθως δεν έχει εφαρμογή στα φαινόμενα της καθημερινής ζωής, γιατί τα μήκη κύματος των μακροσκοπικών σωμάτων είναι πολύ μικρά. Για παράδειγμα, μια μπάλα μάζας m=1,2kg που κινείται με ταχύτητα υ=3m/s έχει μήκος κύματος λ≈10–34m. Όμως για να διαπιστωθεί η κυματική φύση της εν λόγω μπάλας, θα πρέπει να γίνουν πειράματα συμβολής ή περίθλασης διαμέσου σχισμών ή εμποδίων παρόμοιας διάστασης με το πολύ μικρό μήκος κύματός της, που βέβαια δεν υπάρχουν στη φύση (συγκριτικά, το άτομο του υδρογόνου έχει ακτίνα της τάξης των 10–10m).
Αντίθετα, στον μικρόκοσμο το μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου που κινείται με ταχύτητα π.χ. υ=7000 km/s, έχει πολύ μεγαλύτερο μήκος κύματος λ≈10–10m, δεδομένου ότι η μάζα του ηλεκτρονίου είναι πολύ μικρή m≈9∙10–31kg.
Ένα σωματίδιο σαν το αξιόνιο QCD με μάζα το ένα εκατομμυριοστό ή ένα δισεκατομμυριοστό της μάζας του ηλεκτρονίου με την ίδια ταχύτητα υ=7000 km/s, θα είχε μήκος κύματος λ≈10–4m και 0,1m αντίστοιχα, ίδιας τάξης μεγέθους με τα μήκη κύματος των μικροκυμάτων και στο όριο των μηκών κύματος των ραδιοτηλεοπτικών κυμάτων.

 Οι εναλλακτικοί υποψήφιοι για την κυματοειδή σκοτεινή ύλη ταιριάζουν σε διαφορετικές θεωρίες που λύνουν διαφορετικά προβλήματα. «Αυτό που είναι ωραίο με τα σωματίδια που μοιάζουν με αξιόνια είναι ότι θα μπορούσαν να προκύψουν από θεωρίες ανώτερης τάξης», λέει η Lindley Winslow. «Για παράδειγμα, η ύπαρξη των αξιονίων θα ήταν η πρώτη απόδειξη ότι μια θεωρία σαν τη θεωρία χορδών ισχύει και είναι ο σωστός τρόπος για να κατανοήσουμε το σύμπαν».

 Ένας άλλος υποψήφιος για την κυματοειδή σκοτεινή ύλη είναι το σκοτεινό φωτόνιο, το οποίο «είναι σαν ξάδερφος του φωτονίου», λέει ο Tien-Tien Yu από το Πανεπιστήμιο του Όρεγκον. Αν υπάρχει το σκοτεινό φωτόνιο θα είναι παρόμοιο με το φωτόνιο, με τη διαφορά ότι θα είχε πολύ μικρό ηλεκτρικό φορτίο και θα μπορούσε επίσης να έχει μάζα ηρεμίας.

Μια βελόνα στα άχυρα

Ο τρόπος με τον οποίο οι επιστήμονες αναζητούν την κυματοειδή σκοτεινή ύλη είναι αρκετά διαφορετικός από τον τρόπο που αναζητούν τα σωματίδια σκοτεινής ύλης, λέει ο Yu. «Στην περίπτωση των σωματιδίων, ψάχνετε για ένα σωματίδιο που είτε σκεδάζεται είτε απορροφάται. Ενώ με την κυματοειδή σκοτεινή ύλη, αναζητάτε μεγάλο αριθμό σωματιδίων που ‘συνεργάζονται’ μεταξύ τους».

Έτσι, αντί να ψάχνουν για σωματίδια που συμπεριφέρονται όπως οι μπάλες του μπιλιάρδου, οι επιστήμονες αναζητούν κάτι βρίσκεται πιο κοντά σε ένα ραδιοφωνικό σήμα, λέει ο Gray Rybka, που συμμετέχει στο Axion Dark Matter Experiment, ADMX. «Το μεγαλύτερο μέρος του πειράματός μας για την ανίχνευση της κυματοειδούς σκοτεινής ύλης είναι ουσιαστικά ένα πολύ μεγάλο ραδιόφωνο AM με μια μαγνητική διάταξη για την μετατροπή των αξιονίων σε μικροκύματα».

Το πείραμα ADMX αποτελείται από έναν μεγάλο μαγνήτη, μια κοιλότητα μικροκυμάτων και εξαιρετικά ευαίσθητα κβαντικά ηλεκτρονικά χαμηλού θορύβου. «Στην ουσία, αναζητούμε μια συνεχή ροή ισχύος που να φαίνεται ότι έρχεται από το πουθενά, αλλά στην πραγματικότητα είναι σκοτεινή ύλη», λέει ο Gray Rybka.

Η αναζήτηση της κυματικής συμπεριφοράς της σκοτεινής ύλης, όπως και η αναζήτηση για σωματίδια της σκοτεινής ύλης, είναι μια πολύ δύσκολη εργασία, αφού επιχειρείται η ανίχνευση ενός αχνού σήματος, που με μεγάλη δυσκολία ξεχωρίζει κανείς από το υπόβαθρο άλλων αιτιών που μοιάζουν σ’ αυτό το σήμα. Πρόκειται για μια τεράστια πειραματική πρόκληση, σύμφωνα με τον Yu.

Για να αυξηθούν οι πιθανότητες ανίχνευσης, μια ομάδα φυσικών πρότειναν πρόσφατα ένα πείραμα που περιλαμβάνει την αποστολή ατομικών ρολογιών προς το εσωτερικό του ηλιακού μας συστήματος, μεταξύ του Ερμή και του Ήλιου, όπου ορισμένα μοντέλα προβλέπουν μεγαλύτερη πυκνότητα σκοτεινής ύλης και πιθανώς μεγαλύτερη πιθανότητα ανίχνευσής της. Οι ερευνητές προέβλεψαν ότι τα ευαίσθητα και ακριβή ατομικά ρολόγια θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν τις ελαφρές διαταραχές στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που προκαλούνται από την κυματοειδή σκοτεινή ύλη.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο του symmetrymagazine με τίτλο: Is dark matter the most powerful wave in the universe?

https://physicsgg.me/2023/04/05/%ce%b7-%ce%ba%cf%85%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%b9%ce%ba%ce%ae-%cf%86%cf%8d%cf%83%ce%b7-%cf%84%ce%b7%cf%82-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%ce%ae%cf%82-%cf%8d%ce%bb%ce%b7%cf%82/