Υπάρχει καμιά νέα δύναμη στην περιοχή της σκοτεινής ύλης;

Πηγή: PhysicsWorld, 1 Δεκεμβρίου 2008

Η σκοτεινή ύλη - η φευγαλέα ουσία που αποτελεί το μεγαλύτερο τμήμα της ύλης στο σύμπαν - μπορεί να είναι πολύ πιο σύνθετο από ό,τι μερικοί φυσικοί έχουν μέχρι τώρα πιστέψει. Πράγματι, μπορεί ακόμη και να επηρεάζεται από μία μέχρι τώρα άγνωστη "σκοτεινή δύναμη" που ενεργεί αποκλειστικά πάνω στα σωματίδια της σκοτεινής ύλης. Αυτό ισχυρίζεται μια ομάδας Αμερικανών κοσμολόγων, που πιστεύει ότι η νέα θεωρία τους για τη σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να εξηγήσει τα πρόσφατα πολύ ενδιαφέροντα και ανώμαλα αποτελέσματα από διάφορες μεγάλες έρευνες για την πρώτη άμεση απόδειξη της σκοτεινής ύλης.

Οι φυσικοί έχουν υπολογίσει πως η σκοτεινή ύλη στον Κόσμο είναι πενταπλάσια από την κανονική ύλη - που είναι η ύλη από την οποία σχηματίζονται τα αστέρια και οι πλανήτες. Ενώ η σκοτεινή ύλη φαίνεται να αλληλεπιδρά μόνο μέσω της βαρύτητας και έχει ισχυρή επίδραση πάνω στην κίνηση μεγάλων αντικειμένων όπως είναι οι γαλαξίες, δεν αλληλεπιδρά με το φως και έχει αποδειχθεί πολύ δύσκολο να εντοπιστεί άμεσα - πόσο μάλλον να την κατανοήσουμε με κάθε λεπτομέρεια.

Τα τελευταία χρόνια, διάφορα πειράματα έχουν βρει ασυνήθιστα αποτελέσματα που μπορεί να συνδέονται με την σκοτεινή ύλη. Για παράδειγμα, ερευνητές που χρησιμοποιούν πάνω σε ένα μπαλόνι έναν ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων, που ονομάζεται ATIC, δημοσίευσαν πριν λίγες μέρες μια απρόσμενη μεγάλη παρουσία ηλεκτρονίων μεταξύ 300-800 GeV περίπου. Τα αποτελέσματα δεν μπορεί να εξηγηθεί από τα στάνταρτ μοντέλα της προέλευσης και διάδοσης των κοσμικών ακτίνων  στο Γαλαξία και αντίθετα δείχνουν μια κοντινή σε μας και άγνωστη μέχρι τώρα «πηγή» υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια.

Όλο και περισσότερες ενδείξεις της νέας φυσικής;

Αρχές του έτους αποκαλύφθηκε ότι ο δορυφόρος PAMELA βρήκε μια περίσσεια ποζιτρονίων περίπου 10-100 GeV, που ήταν επίσης απρόβλεπτη για κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας, να αλληλεπιδρούν με το διαστρικό μέσο. Και ο δορυφόρος INTEGRAL ανακάλυψε μια απρόσμενη περίσσεια ποζιτρονίων χαμηλής ενέργειας στο κέντρο του Γαλαξία. Ενώ όλοι δεν είναι σίγουροι ακόμη αν αυτά τα αποτελέσματα είναι απολύτως συμβατά μεταξύ τους, όλα φαίνεται να δείχνουν προς μια "νέα φυσική".

Μια πιθανότητα είναι ότι αυτά τα σωματίδια που πλεονάζουν προκαλούνται από την εξαΰλωση των WIMPs (Σωματίδια με Μάζα που Αλληλεπιδρούν Ασθενώς) - μία κατηγορία σωματιδίων με μεγάλη πιθανότητα να είναι η σκοτεινή ύλη. Θεωρητικά, τα WIMPs μπορούν όταν συγκρούονται μεταξύ τους να εξαϋλώνονται , παράγοντας ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Ωστόσο, ο ρυθμός εξαΰλωσης που απαιτείται για να εξηγήσει τις παρατηρούμενες περίσσειες είναι πολύ υψηλότερος από τον αναμενόμενο από τις καθιερωμένες θεωρίες της σκοτεινής ύλης.

Τώρα όμως, ο Douglas Finkbeiner στο Κέντρο Αστροφυσικής του Harvard πιστεύει ότι μπορεί να έχει μια πιθανή απάντηση (arXiv: 0810.0713). "Εάν πιστεύουμε ότι η εξαΰλωση της σκοτεινής ύλης μπορεί να είναι ο ένοχος για τις περίσσειες στα πειράματα ATIC και PAMELA, ερχόμαστε κατευθείαν σε ένα ζευγάρι από ενδιαφέροντα συμπεράσματα", εξηγεί ¨ο Finkbeiner. "Πρώτον, η σκοτεινή ύλη πρέπει να εξαϋλώνεται με τα ηλεκτρόνια ή τα μιόνια, είτε άμεσα είτε έμμεσα, και το δεύτερο, πως αυτή η εξαΰλωση γίνεται περίπου 100 φορές πιο εύκολα από όσο αναμενόταν. Και τα δύο μπορούν να επιτευχθούν με μια θεωρία που να περιέχει μια νέα δύναμη στο σκοτεινό τομέα. "

Μια νέα δύναμη και σωματιδίων

Σύμφωνα με τον Finkbeiner και τους συναδέλφους του, νέα θεμελιώδη δύναμη που προτείνουν γίνεται αισθητή μόνο από τη σκοτεινή ύλη και με τη μεσολάβηση ενός νέου σωματιδίου, το Φ, με τον ίδιο τρόπο που μια άλλη θεμελιώδη αλληλεπίδραση - η ηλεκτρομαγνητική - διαδίδεται μέσω της φωτονίων. Σημαντικό είναι ότι η δύναμη αυτή είναι ελκτική, οπότε τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης έρχονται σε επαφή πολύ πιο αποτελεσματικά για να εξαϋλωθούν σε χαμηλές ταχύτητες και προκαλώντας έτσι μεγαλύτερους ρυθμούς εξαΰλωσης από ό,τι αναμένεται. Τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα συγκρουστούν και θα εξαϋλωθούν οπότε παράγουν σωματίδια Φ, με κάθε Φ μετά να διασπάται για να δώσει ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια και άλλα σωματίδια που παρατηρήθηκαν στα πειράματα.

"Η θεωρία αυτή είναι εν μέρει μια σύνθεση, αλλά φέρνει όλες τις ιδέες μαζί και συνειδητοποιούμε πόσο απλά θα μπορούσαν να ταιριάξουν αυτές μαζί σε ένα ενιαίο πλαίσιο," λέει ο Neal Weiner, ένα άλλο μέλος της ομάδας του Κέντρου για την Κοσμολογία και Φυσική στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. "Και το πιο αξιοσημείωτο είναι ότι πόσο εύκολα βρήκαμε τα διάφορα στοιχεία που υποστηρίζονται μεταξύ τους και μπορούν να εξηγήσουν τις διάφορες ανωμαλίες ταυτόχρονα."

Μερικοί είναι περισσότερο επιφυλακτικοί. "Οι ανιχνεύσεις στα πειράματα ATIC και PAMELA είναι συναρπαστικές αλλά είναι πολύ νωρίς για να πούμε ότι έχει ανιχνευθεί σκοτεινή ύλη", λέει ο Dan Hooper στο Εργαστήριο Fermilab στο Ιλλινόις. "Επιπλέον, υπάρχουν διάφορες δυνατότητες για να εξηγηθεί το σήμα της σκοτεινής ύλης και αυτό είναι μόνο ένα από αυτά. Δεν υπάρχει λόγος γιατί το σύμπαν να έχει αυτόν τον τρόπο. "

Ο Finkbeiner, ωστόσο, είναι αισιόδοξος. "Όλοι ήδη έχουμε σκεφτεί τις δυνάμεις που ήδη γνωρίζουμε", λέει. "Αλλά αφού δεν έχουμε φιλοσοφικό πρόβλημα με την ανακάλυψη εντελώς νέων σκοτεινών σωματιδίων γιατί τότε να μην υπάρχει μια νέα δύναμη; "

Πρόσκληση για καλύτερες μετρήσεις

Ο Dan Hooper πιστεύει ότι ο μόνος τρόπος για να λυθεί το θέμα τελικά είναι να έχουμε πιο ακριβείς μετρήσεις του απρόσμενου μεγάλου αριθμού των ηλεκτρονίων και περισσότερα δεδομένα για το τι βλέπουν οι επιστήμονες εδώ. Οι Finkbeiner και Weiner συμφωνούν, επισημαίνοντας ότι κι άλλα αστροφυσικά σήματα, πυρήνες που σκεδάζονται σε υπόγεια πειράματα καθώς και ειδήσεις από επιταχυντές σωματιδίων θα μπορούσαν να βοηθήσουν την διερεύνηση κι άλλο της σκοτεινής ύλης.

"Θα χρειαστούν πιθανώς πολλά κομμάτια ακόμα για να καταλάβουμε", λέει ο Weiner. "Βρισκόμαστε πραγματικά μόλις στις αρχές να σκεφτούμε αυτά τα πράγματα."