Αγώνας για την ανίχνευση της Σκοτεινής Ύλης

Πηγή: Associated Press, 12 Αυγούστου 2007

Εργαστήρια σε όλη την υδρόγειο βαθιά κάτω από τη γη, αγωνίζονται με υψηλής ακρίβειας όργανα να επισημάνουν τη σκοτεινή ύλη, την αόρατη κοσμική 'κόλλα', που όπως πιστεύεται εμποδίζει τους γαλαξίες από το να διαλυθούν.

Όποιος ανακαλύψει τη φύση της σκοτεινής ύλης θα έλυνε ένα από τα πιο μεγάλα μυστήρια της σύγχρονης επιστήμης και θα ήταν βέβαιος υποψήφιος για το βραβείο Νόμπελ. Όμως οι επιστήμονες ακόμα κάνουν υποθέσεις για τη φύση της. Η αποκρυπτογράφηση της σκοτεινής ύλης - μαζί με την κατανόηση μιας άλλης μυστήριας δύναμης, της σκοτεινής ενέργειας - θα μπορούσε να βοηθήσει ώστε να αποκαλυφθεί και η μελλοντική μοίρα του Κόσμου.

Η σκοτεινή ύλη εμφανίζεται, σε αυτή την εικόνα ενός σμήνους γαλαξιών, ως φωτοστέφανος σε μπλε χρώμα, ενώ η ορατή ύλη χρωματίστηκε κόκκινη

Οι προηγούμενες έρευνες για την υποθετική ύλη δεν έχουν δείξει τίποτα, αλλά αυτό δεν έχει αποτρέψει περίπου δύο δωδεκάδες ερευνητικές ομάδες από το να ψάχνουν μέσα στο σκοτάδι των κλειστών ορυχείων και σηράγγων για μια εφήμερη λάμψη της.

Οι μηχανές που αναζητούν την σκοτεινή ύλη είναι σήμερα ισχυρότερες από τις προηγούμενες γενεές, αλλά ακόμη και η καλύτερη από αυτές έχει αποτύχει μέχρι τώρα να πιάσει την ουσία της σκοτεινής ύλης. Όμως τώρα πολλές ομάδες χτίζουν ακόμα μεγαλύτερους ανιχνευτές ή παίζουν με τις νέες τεχνολογίες για να ενισχύσουν το κυνήγι της. 

"Είμαστε στη χρυσή εποχή της αναζήτησης της σκοτεινής ύλης", λέει η Sean Carroll, θεωρητικός φυσικός στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας που δεν έχει κανέναν ρόλο στα πειράματα αυτά. "Φαίνεται ότι θα γίνουν σημαντικές ανακαλύψεις στην επιστήμη αν βρεθεί".

Οι επιστήμονες βρίσκονται κατά γενική ομολογία ακόμα στο σκοτάδι για την σκοτεινή ύλη. Η επικρατούσα θεωρία είναι ότι αποτελείται από μικροσκοπικά, εξωτικά σωματίδια που απέμειναν από τη Μεγάλη Έκρηξη, περίπου, 13.7 δισεκατομμύρια έτη πριν. Η σκοτεινή ύλη, πιστεύεται πως αποτελεί το ένα τέταρτο της μάζας του σύμπαντος, πήρε δε το όνομά της επειδή δεν εκπέμπει φως ή θερμότητα. Οι αστρονόμοι βέβαια ξέρουν ότι υπάρχει λόγω της βαρυτικής έλξης της πάνω στα αστέρια και τους γαλαξίες.

Το να γνωρίζουμε ότι υπάρχει η σκοτεινή ύλη δεν σημαίνει ότι ξέρουμε κιόλας από τι αποτελείται. Τα περισσότερα πειράματα ψάχνουν για τα θεωρητικά σωματίδια WIMPS - ή Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα - τα κορυφαία υποψήφια σωματίδια της σκοτεινής ύλης.

Οι υπόγειες μηχανές αναζήτησης της περιμένουν τη σπάνια στιγμή που θα χτυπήσει ένα σωματίδιο WIMP έναν ατομικό πυρήνα και θα του προκαλέσει μια ελαστική σκέδαση. Τα πειράματα αυτά πρέπει να τρέχουν κάτω από το έδαφος για να εμποδίσουν τις κοσμικές ακτίνες να αλλοιώσουν τα αποτελέσματα.

Ο ερευνητής Neil Spooner της σκοτεινής ύλης του πανεπιστημίου του Σέφιλντ στην Αγγλία ανακεφαλαιώνει αυτόν τον τρόπο: "Είναι σαν να ψάχνεις να βρεις μια βελόνα σε άχυρο. Χρειάζεστε λοιπόν καλύτερη τεχνολογία για να βρείτε το γεγονός που ψάχνετε και να απορρίψετε τα σκουπίδια."

Υπόγεια πειράματα γίνονται σε ένα κλειστό ορυχείο σιδήρου στη Μινεσότα και σε σπήλαια στον Καναδά, την Αγγλία, τη Γαλλία, την Ιταλία, την Ιαπωνία και τη Ρωσία. Τον περασμένο μήνα, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστήμης επέλεξε ένα ορυχείο χρυσού στη Νότια Ντακότα για να γίνει ένα από τα μεγαλύτερα και βαθύτερα εργαστήρια του είδους του στον κόσμο - χωράει δε πάνω από έξι κτίρια Empire State κάτω από το έδαφος.

Ο ανταγωνισμός μεταξύ των επιστημόνων είναι ανελέητος, ενώ οι φυσικοί ψάχνουν για ποια τεχνολογία λειτουργεί καλύτερα.

Τα περασμένα χρόνια ένα πείραμα με το όνομα CDMS (Κρυογενική Αναζήτηση της Σκοτεινής Ύλης), χρησιμοποιούσε υπέρψυχρο πυρίτιο και κρυστάλλους γερμανίου στο μέγεθος μιας σφαίρας χόκευ για να βρει τις αποκαλυπτικές δονήσεις μιας σύγκρουσης με ένα σωματίδιο WIMP. Τα νεώτερα μηχανήματα χρησιμοποιούν το ευγενές αέριο ξένον ή νέες τεχνολογίες όπως θαλάμους με υπέρθερμες υγρές φυσαλίδες.

"Δεν υπάρχει κανένα τέλειο πείραμα ή ανιχνευτής σκοτεινής ύλης. Όλα τους έχουν τις ιδιορρυθμίες τους και τους περιορισμούς τους", λέει ο Juan Collar, ένας φυσικός σωματιδίων στο πανεπιστήμιο του Σικάγου και μέλος μιας ομάδας που ονομάζεται COUPP.

Οι επιστήμονες συνειδητοποιούν ότι τώρα μπορούν να είναι κοντά στην  πραγματοποίηση της ανακάλυψης της σκοτεινής ύλης.

"Είναι πιθανό να μην βρείτε τίποτα ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλο είναι η πειραματική μηχανή που φτιάξατε", τονίζει ο Steve Ahlen του πανεπιστημίου της Βοστώνης, που μαζί με συνεργάτες του από το ΜΙΤ και το πανεπιστημίου Brandeis, χτίζει μια νέα μηχανή που θα τοποθετηθεί υπόγεια το προσεχές έτος (2008) σε μια θέση που δεν έχει ακόμα καθοριστεί.

Έχουν δει ψεύτικες ενδείξεις

Το 2000, ιταλοί επιστήμονες που εργάζονται σε ένα υπόγειο εργαστήριο κοντά στο Gran Sasso της Ιταλίας υποστήριξαν ότι έχουν ανιχνεύσει ένα σήμα σκοτεινής ύλης. Αλλά κανένας τους δεν ήταν σε θέση να αναπαραγάγει το αποτέλεσμα και ο ισχυρισμός τους δεν αναγνωρίζεται στην επιστημονική κοινότητα. Οι ιταλοί ερευνητές από τότε εργάστηκαν πάνω σε έναν δεύτερης γενεάς ανιχνευτή και αναμένουν να παρουσιάσουν νέα αποτελέσματα το προσεχές έτος 2008.

Την περασμένη άνοιξη, μια άλλη ομάδα που καθοδηγήθηκε από την Elena Aprile του πανεπιστημίου του Κολούμπια, που εργάζεται επίσης στο Gran Sasso, συγκλόνισε τον επιστημονικό κόσμο αναγγέλλοντας σε μια συνεδρίαση ότι το δικό της πρόγραμμα υγρού αερίου XENON10 είναι πιο ευαίσθητο και απορρίπτει περισσότερο παρασιτικό θόρυβο από ότι ο ανιχνευτής CDMS (Κρυογενική Αναζήτηση της Σκοτεινής Ύλης).

"Όσο περισσότερη ευαισθησία έχετε, τόσο πιο κοντά φτάνεται στην αλήθεια", λέει η Aprile.

Ο εκπρόσωπος του πειράματος CDMS Bernard Sadoulet του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, είπε οι δύο μέθοδοι βοηθούν ώστε να επαληθευτούν καλύτερα οι έρευνες για τη σκοτεινή ύλη. Πρόσθεσε δε ότι η ομάδα του έχει πάρει στοιχεία με τον βελτιωμένο ανιχνευτή του από πέρυσι και έτσι αναμένει να αυξήσει την ευαισθησία του.

Η αναζήτηση για τη σκοτεινή ύλη χρονολογείται από τη δεκαετία του '30 όταν ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky του Caltech, παρατηρώντας μέσω του τηλεσκοπίου του τις κινήσεις ορισμένων γαλαξιών, βρήκε ότι τους έλειπε αρκετή μάζα. Η ιδέα αυτή για να οριστικοποιηθεί πέρασαν χρόνια, αλλά αποτελεί τώρα το αντικείμενο μιας έντονης αναζήτησης.

Η κατασκευή των ανιχνευτών της σκοτεινής ύλης είναι ακριβή και ακόμα πιο ακριβή είναι η αναβάθμιση και λειτουργία τους. Πολλά προγράμματα χρηματοδοτούνται από πολλές πηγές. Παραδείγματος χάριν, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστήμης έχει επενδύσει περίπου 21 εκατομμύρια δολάρια από το έτος 2000 σε έξι προγράμματα συμπεριλαμβανομένου και του CDMS και του XENON10.

Οι επιστήμονες ψάχνουν για τη σκοτεινή ύλη και στο διάστημα. Η NASA προγραμματίζει το προσεχές έτος να προωθήσει το τηλεσκόπιο GLAST για την αναζήτηση  και τη μελέτη των εκρήξεων ακτίνων γάμμαμ που μπορούν να δημιουργηθούν από τις συγκρούσεις της σκοτεινής ύλης. Και είναι μάλιστα πιθανό ερευνητές να δημιουργήσουν σκοτεινή ύλη στο εργαστήριο - όπως στο Μεγάλο Επιταχυντή (Large Hadron Collider) όπου θα συγκρούονται αδρόνια κάτω από τα ελβετο-γαλλικά σύνορα.

Και βέβαια όλες οι αναζητήσεις της σκοτεινής ύλης δεν αφορούν μόνο τα WIMPS αλλά και άλλα παράξενα σωματίδια, τα αξιόνια.

Ένα πείραμα της σκοτεινής ύλης με αξιόνια (Axion Dark Matter Experiment) στο εθνικό εργαστήριο Lawrence Livermore, έψαχνε για ένα άλλο θεωρητικό σωματίδιο υποψήφιο συστατικό της σκοτεινής ύλης, το αξιόνιο. Η πρώτη φάση του προγράμματος τελείωσε το 2003 χωρίς κανένα σήμα. Πρόσφατα δε πήρε το πράσινο φως από το Υπουργείο Ενέργειας για να αναβαθμίσει το πείραμα.

Βέβαια για πόσο καιρό ακόμα θα συνεχιστεί το κυνήγι της σκοτεινής ύλης, είναι άγνωστο.

"Η μαγική σφαίρα μπορεί να είναι μπερδεμένη", αναφέρει η φυσικός Leslie Rosenberg, μια εκπρόσωπος του προγράμματος axion, "αλλά η φύση της σκοτεινής  ύλης θα αποκαλυφθεί."

Υποθέτουν δε οι φυσικοί πως οι γαλαξίες είναι εμβαπτισμένοι σε συγκεντρώσεις αργά κινουμένων WIMP's που έχουν τη μορφή σταγόνων. Οι ταχύτητες τους μπορεί να είναι της τάξης χιλιάδων km/s. Καθώς το ηλιακό μας σύστημα κινείται μέσα στο Γαλαξία, διασχίζει  αυτή την θάλασσα των σωματιδίων με ταχύτητα των 220 km/s και έτσι κάθε χιλιόγραμμο της ύλης της Γης, θα μπορούσε να σκεδάζει κάθε ημέρα περίπου 1000 WIMP's.