Μήπως η κανονική ύλη στους λευκούς νάνους γίνεται υπερσυμμετρική;

Πηγή: Economist, Σεπτέμβριος 2006

Αν οι τρέχουσες θεωρίες της φυσικής είναι σωστές, ο αισθητός κόσμος των ατόμων και των σωματιδίων είναι μόνο αφρός που επιπλέει σε μια θάλασσα αμυδρώς αντιληπτής ουσίας, που λέγεται γι αυτό τον λόγο, σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια. Και ενώ η σκοτεινή ύλη γίνεται αντιληπτή μέσω της έλξης της βαρύτητας στην πιο γνωστό σε μας κανονική ύλη, η σκοτεινή ενέργεια γίνεται αντιληπτή από την αντίθετη επίδραση - ωθεί σε απομάκρυνση τη συνηθισμένή ύλη.

Μέχρι σήμερα, οι φυσικοί και των υποατομικών και των αστρονομικών διαστάσεων σκέφτηκαν ότι, η βαρύτητα και η κοσμολογική ώθηση προς τα έξω, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια έτειναν να διατηρηθούν. Τώρα μερικοί από αυτούς τους φυσικούς δεν είναι και τόσο βέβαιοι. Οι φυσικοί σωματιδίων, ειδικότερα, αρχίζουν να σκέφτονται ότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια μπορούν πραγματικά να είναι υπεύθυνα για τις πιο δυνατές εκρήξεις από την εποχή του Big Bang - και οι αστρονόμοι δεν είναι ευτυχείς που τα σωματίδια μπλέκουν στο έδαφός τους.

Πριν λίγα χρόνια ο Louis Clavelli, ένας φυσικός σωματιδίων στο πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα, ανακοίνωσε την καταπληκτική ιδέα ότι οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα, οι φωτεινότερες εκρήξεις στον κόσμο, προκαλούνται από την ξαφνική μετατροπή απέραντων ποσών κανονικής ύλης σε σκοτεινή ύλη. Ο μηχανισμός που προκαλεί αυτήν την καταστροφή είναι, υπό κατάλληλες συνθήκες, η σκοτεινή ενέργεια.

Για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ενέργεια, οι φυσικοί σωματιδίων προτείνουν ότι ο χώρος υπάρχει μάλλον σε "φάσεις", με τον ίδιο τρόπο που το νερό μπορεί να είναι στερεό, υγρό ή αέριο. Η ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας δείχνει ότι ο χώρος δεν βρίσκεται στη χαμηλότερη από αυτές τις φάσεις. Ακριβώς όπως το υγρό νερό μπορεί να παγώσει, έτσι, από μία άποψη, μπορεί να κάνει και ο χώρος.

Όταν αυτό συμβαίνει, η κανονική ύλη γίνεται "υπερσυμμετρική". Η υπερσυμμετρία είναι μια θεωρία που επινοήθηκε από τους φυσικούς σωματιδίων για να τακτοποιήσουν το μάλλον αυθαίρετο "καθιερωμένο μοντέλο" των υποατομικών σωματιδίων με τα οποία δουλεύουν τώρα. Επικαλείται έναν ολόκληρο άγνωστο κόσμο σωματιδίων-συνεργατών αντί εκείνου του καθιερωμένου μοντέλου. Αυτά παρέχουν μαθηματική συμμετρία στο ζωολογικό κήπο των σωματιδίων και, συμπτωματικά, παρέχουν μια εύλογη εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη. Κι αυτό συμβαίνει επειδή τα υπερσυμμετρικά σωματίδια είναι πολύ βαρύτερα από τα κανονικά αντίστοιχά τους.

Οι απαραίτητες περιστάσεις για τη μετατροπή της κανονικής σε υπερσυμμετρική ύλη μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο σε συνθήκες ακραίας πυκνότητας, αλλά οι υπολογισμοί του Clavelli προτείνουν ότι είναι μέσα στην τάξη μεγέθους των πυκνοτήτων που βρίσκονται μέσα στα νεκρά αστέρια, γνωστά ως λευκοί νάνοι. Αυτοί είναι σχεδόν στο ίδιο μέγεθος με τη Γη, αλλά εκατομμύρια φορές τη μάζα της.

Είναι γνωστό ότι όταν η κανονική ύλη (ηλεκτρόνια, κουάρκ, νετρίνα, μιόνια, ταυ) - που είναι φερμιόνια με ημιακέραιο σπιν και υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli - μετατραπεί σε υπερσυμμετρική, τότε τα σωματίδια της τελευταίας είναι υπερεταίροι των κανονικών σωματιδίων. Οι υπερεταίροι αυτοί είναι μποζόνια με ακέραιο σπιν, και φυσικά δεν υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli.

Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα

Υπάρχουν τρισεκατομμύρια λευκοί νάνοι στο διάστημα και, σύμφωνα με τον Δρ Clavelli, οποιοσδήποτε από αυτούς θα μπορούσε να "παγώσει" οποιαδήποτε στιγμή, μετατρέποντας τα άτομά του σε σκοτεινή ύλη και συγχρόνως να απελευθερώσει μια ισχυρή έκρηξη ακτίνων γάμμα σε όλο το σύμπαν, με έναν τρόπο ανάλογο που το νερό αποδίδει τη λανθάνουσα θερμότητά του όταν μετατρέπεται σε πάγο.

Είναι φυσικά μια αμφισβητούμενη ιδέα. Οι αστρονόμοι έχουν μελετήσει τις εκρήξεις ακτίνων γάμμα πάνω από 30 χρόνια, και έχουν εξελίξει μια σύνθετη θεωρία για να τις εξηγήσουν. Έτσι πιστεύουν πως γιγάντια άστρα γίνονται ασταθή και σχίζονται σε κομμάτια.

Ο Clavelli σκέφτεται ότι αυτές οι θεωρίες δεν είναι σωστές γιατί δεν εξηγούν και πολλά για αυτές τις εκρήξεις, ενώ οι αστρονόμοι σκέφτονται το ίδιο πράγμα για τη θεωρία του.

Ακόμα κι αν ο Clavelli αποδειχθεί ότι έχει λάθος, οι φυσικοί σωματιδίων δεν γίνεται να αναμιγγύονται με την αστρονομία.

Οι πηγές EGRET

Η επόμενη θεωρητική μάχη πιθανώς να γίνει στα ουράνια αντικείμενα που λέγονται πηγές EGRET. Είναι πηγές ακτίνων γάμμα αλλά, αντίθετα από τις εκρήξεις ακτίνων γάμμα, λάμπουν συνεχώς. Έχουν ανακαλυφθεί περίπου 170 από αυτές τις πηγές. Ανακαλύφθηκαν από το παρατηρητήριο ακτίνων γάμμα Compton, που προωθήθηκε στο διάστημα το 1991 από τη NASA. Οι πηγές EGRET ονομάστηκαν έτσι από το Ενεργητικό Τηλεσκόπιο Πειραμάτων με Ακτίνες Γάμμα του Compton  που τις βρήκε. Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες προσπαθούν να τις εξηγήσουν. Ο Jürg Diemand, ένας φυσικός στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στην Santa Cruz, νομίζει ότι μερικές από αυτές τις πηγές μπορεί να προκύψουν σε μικρά νέφη σκοτεινής ύλης από νετραλίνα που διαπερνούν ακόμα και τη Γη. Ο Jürg Diemand πιστεύει ότι όταν δύο νετραλίνο συγκρούονται προβλέπεται να παράγουν ένα πίδακα άλλων σωματιδίων, καθώς επίσης και φωτόνια ακτίνων γάμμα.

Η Argyro Tasitsiomi, του πανεπιστημίου του Σικάγου, σκέφτεται ότι υπάρχει μια πιθανότητα οι πηγές EGRET να είναι στην πραγματικότητα συστάδες από το υπερσυμμετρικό σωματίδιο νετραλίνο. Έχει υπολογίσει ότι όταν συγκρούονται τα νετραλίνα, θα πρέπει να ελευθερώνουν ακτίνες γάμμα. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να υπάρχει μια εξασθένηση των ακτίνων γάμμα όταν διαπερνούν το διάστημα, και να σχηματίζονται φωτεινά σημεία εκεί όπου υπάρχουν συστάδες σκοτεινής ύλης. Ελπίζει δε ότι το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Μεγάλης Περιοχής (GLAST) της NASA, που πρόκειται να προωθηθεί στο διάστημα το 2007, θα κάνει πιο λεπτομερείς παρατηρήσεις με σκοπό να εξετάσει τις ιδέες της.

Μερικοί φυσικοί σωματιδίων επικαλούνται επίσης τη σκοτεινή ύλη ως πιθανή εξήγηση για τις αποκαλούμενες Εξαιρετικά Υψηλής Ενέργειας Κοσμικές Ακτίνες. Από την αρχή του 20ού αιώνα, οι επιστήμονες ξέρουν ότι υπάρχει περισσότερη ακτινοβολία στη Γη από αυτή που μπορεί να σχηματιστεί από τα ραδιενεργά στοιχεία στους βράχους. Επισήμαναν δε την πρόσθετη ακτινοβολία γάμμα στον διαρκή καταιγισμό σωματιδίων που προέρχονται από το διάστημα. Αν και αυτά τα σωματίδια εμφανίζονται να αποτελούνται από κανονική ύλη, μερικά φθάνουν στη Γη με ενέργειες που προκαλούν την παραδοσιακή εξήγηση. Ο James Pinfold, του πανεπιστημίου Αλμπέρτα στον Καναδά, νομίζει ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι υπεύθυνη, επειδή μερικές μορφές από αυτήν πρέπει να διασπαστεί αυθόρμητα, εκτινάσσοντας προς τα έξω μια εξαιρετικά υψηλής ενέργειας κοσμική ακτίνα κατά τη διαδικασία.

Οι κοσμικές ακτίνες ήταν μεταξύ των πρώτων σωματιδίων υψηλής ενέργειας που μελετήθηκαν, προτού οι φυσικοί μάθουν πώς να κατασκευάσουν τους γιγαντιαίους επιταχυντές που χρησιμοποιούν τώρα για να φτιάξουν τέτοια σωματίδια. Θα είναι μια μεγάλη ειρωνεία εάν αυτές οι ακτίνες αποδειχθεί ότι κρατούν το μυστικό της uπερσυμμετρίας - το πιο καλά κρυμμένο γνωστό μυστικό.

Home