Οι φυσικοί για το κυνήγι του αόρατου χεριού που διαμορφώνει το σύμπαν μας και τους γαλαξίες μέσα του έχουν στρέψει το βλέμμα τους στη σκοτεινή πλευρά. Συγκεκριμένα, μια ομάδα κοιτάζει πίσω από κάθε κοσμικό βράχο για τα αποκαλούμενα σκοτεινά φωτόνια, τα οποία θα μπορούσαν να μεταδώσουν μια προηγουμένως άγνωστη δύναμη της φύσης.
Αυτά τα φωτόνια θα μεσολαβούν στην αλληλεπίδραση όλων των κανονικών ουσιών με την αόρατη ουσία που ονομάζεται σκοτεινή ύλη.
Αλλά οι επιστήμονες έχουν καταλάβει από πολύ καιρό ότι η φύση είναι τεντωμένη και τραβηγμένη και σκισμένη και σκισμένη από τέσσερις γνωστές δυνάμεις, έτσι πώς θα μπορούσε να έχει κρυφτεί μια άλλη δύναμη από μας για τόσο πολύ καιρό; Οι τέσσερις αυτές γνωστές δυνάμεις αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο της καθημερινής ύπαρξής μας: την τυραννική αλλά βραχύτατη ισχυρή πυρηνική δύναμη, η οποία συνδέει τους ατομικούς πυρήνες μαζί. η ασαφής και ψιθυριστά αθόρυβη πυρηνική δύναμη, η οποία ελέγχει τη ραδιενεργή αποσύνθεση και μιλάει στα υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα. την τολμηρή και φωτεινή ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η οποία κυριαρχεί στη ζωή μας. και η λεπτή βαρυτική δύναμη, μακράν το πιο αδύναμο από το κουαρτέτο.
Χρησιμοποιώντας αυτές τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις, οι φυσικοί μπορούν να ζωγραφίσουν ένα πορτρέτο των υποατομικών και μακροσκοπικών κόσμων μας. Δεν υπάρχει αλληλεπίδραση που δεν περιλαμβάνει έναν από αυτούς τους τέσσερις χαρακτήρες. Και όμως, τα μυστήρια εξακολουθούν να αφθονούν όσον αφορά τις αλληλεπιδράσεις στο σύμπαν μας, ειδικά στις μεγαλύτερες κλίμακες. Όταν σμικρύνουμε προς την κλίμακα των γαλαξιών και πέραν αυτών, εμφανίζεται κάτι ψαρά και δίνουμε αυτή την ιχθυοπανίδα το όνομα της σκοτεινής ύλης.
Είναι η σκοτεινή ύλη απλή και άθικτη, ή κρύβει μια σειρά από προηγούμενες άγνωστες δυνάμεις στα συμπλέκτη της; Τώρα, μια διεθνής ομάδα φυσικών, που περιγράφει τη δουλειά τους στο ηλεκτρονικό περιοδικό arXiv, χρησιμοποίησε μια χωματερή δεδομένων από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων - τον μεγαλύτερο θόρυβο ατόμων στον κόσμο - για να αναζητήσει μια τέτοια δύναμη. Προς το παρόν, η αναζήτησή τους έχει εμφανιστεί κενή - η οποία είναι καλή (δηλαδή): Σημαίνει ότι οι γνωστοί μας νόμοι της φυσικής εξακολουθούν να κατέχουν. Αλλά δεν μπορούμε να εξηγήσουμε τη σκοτεινή ύλη.
Χαμένος στο σκοτάδι
Η σκοτεινή ύλη είναι μια υποθετική μορφή ύλης που λέγεται ότι αντιπροσωπεύει περίπου το 80% της συνολικής μάζας του σύμπαντος. Είναι μια μεγάλη υπόθεση. Δεν γνωρίζουμε πραγματικά τι είναι υπεύθυνο για όλα αυτά τα επιπλέον αόρατα πράγματα, αλλά γνωρίζουμε ότι υπάρχει και η μεγαλύτερη ένδειξη είναι η βαρύτητα. Μελετώντας τις κινήσεις των άστρων μέσα στους γαλαξίες και τους γαλαξίες μέσα σε συστάδες, μαζί με την εξέλιξη των μεγαλύτερων δομών στον Κόσμο, οι αστρονόμοι έχουν σχεδόν γενικά καταλήξει στο συμπέρασμα ότι υπάρχουν περισσότερα από ό, τι συναντά το γαλαξιακό μάτι.
Ένα καλύτερο όνομα για τη σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι αόρατο θέμα. Ενώ μπορούμε να το συμπεράνουμε από την βαρυτική επιρροή του (επειδή τίποτα δεν διαφεύγει από το βλέμμα του Αλβέρτου Αϊνστάιν), η σκοτεινή ύλη απλά δεν αλληλεπιδρά με το φως. Το γνωρίζουμε αυτό γιατί αν η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με το φως (ή τουλάχιστον, αν αλληλεπιδρά με το φως με τον τρόπο που κάνει η γνωστή ύλη), θα είχαμε δει την μυστηριώδη ουσία μέχρι τώρα. Αλλά όσο μπορούμε να πούμε, η σκοτεινή ύλη - ό, τι κι αν είναι - δεν απορροφά το φως, αντανακλά το φως, διαθλάται το φως, διασκορπίζει το φως ή εκπέμπει φως. Για τη σκοτεινή ύλη, το φως είναι απλώς persona non grata. δεν θα μπορούσε καν να υπάρχει.
Και έτσι υπάρχει μια ισχυρή πιθανότητα ότι οι λεγεώνες σωματιδίων σκοτεινής ύλης τρέχουν μέσα από το σώμα σας αυτή τη στιγμή. Η συνδυασμένη μάζα αυτού του ατελείωτου ρεύματος μπορεί να διαμορφώσει τα φτερά των γαλαξιών μέσω της βαρυτικής επιρροής, αλλά περνά μέσα από την κανονική ύλη χωρίς ακόμη και ένα γεια. Ρουζ, ξέρω, αλλά αυτή είναι η σκοτεινή ύλη για σένα.
Φέρνοντας το φως
Δεδομένου ότι δεν ξέρουμε από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη, είμαστε ελεύθεροι να δημιουργήσουμε όλα τα σενάρια, τόσο κοσμικά όσο και φανταστικά. Η απλούστερη εικόνα της σκοτεινής ύλης λέει ότι είναι μεγάλη και βασική. Ναι, αποτελεί τη συντριπτική πλειοψηφία της μάζας του σύμπαντος, αλλά αποτελείται μόνο από ένα μόνο, ιδιαίτερα παραγωγικό σωματίδιο που δεν κάνει τίποτα άλλο εκτός από τη μάζα. Αυτό σημαίνει ότι το υλικό μπορεί να γίνει γνωστό από τη βαρύτητα αλλά αλλιώς ποτέ δεν αλληλεπιδρά με οποιαδήποτε άλλη δύναμη. Ποτέ δεν θα πάμε ποτέ να βλέπουμε τη σκοτεινή ύλη να κάνει τίποτα άλλο.
Τα φανταστικά σενάρια είναι πιο διασκεδαστικά.
Όταν οι θεωρητικοί βαρεθούν, μαγειρεύουν ιδέες για το τι σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να είναι, και το πιο σημαντικό, πώς θα μπορούσαμε να το ανιχνεύσουμε. Το επόμενο επίπεδο στην κλίμακα των ενδιαφέρουσες θεωρίες σκοτεινής ύλης λέει ότι η ουσία μπορεί μερικές φορές να μιλήσει με την κανονική ύλη μέσω της αδύναμης πυρηνικής δύναμης. Αυτή η ιδέα ενθαρρύνει πειράματα σκοτεινής ύλης και ανιχνευτές σε όλο τον κόσμο σήμερα.
Αλλά ακόμα, το σενάριο αυτό υποθέτει ότι υπάρχουν ακόμα μόνο τέσσερις δυνάμεις της φύσης. Αν η σκοτεινή ύλη είναι ένα αόρατο είδος σωματιδίου, τότε είναι απολύτως λογικό να υποδείξουμε (επειδή δεν έχουμε ιδέα εάν είμαστε σωστοί ή όχι) ότι έρχεται συσκευασμένο με μια άγνωστη στο παρελθόν δύναμη της φύσης - ή ίσως ένα ζευγάρι, ποιος ξέρει ; Αυτή η πιθανή δύναμη θα μπορούσε να αφήσει τη σκοτεινή ύλη να μιλήσει μόνο για τη σκοτεινή ύλη ή να συνυπάρξει με τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια (κάτι που επίσης δεν καταλαβαίνουμε) ή να ανοίξει ένα νέο κανάλι επικοινωνίας μεταξύ των φυσιολογικών και σκοτεινών τομέων του σύμπαντος .
Άνοδος του σκοτεινού φωτονίου
Μια προτεινόμενη πύλη επικοινωνίας μεταξύ των ελαφρών και σκοτεινών περιοχών είναι κάτι που ονομάζεται σκοτεινό φωτόνιο, ανάλογο με το γνωστό (φωτεινό) φωτόνιο της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Δεν μπορούμε να δούμε ούτε να δοκιμάσουμε ή να μυρίσουμε άμεσα τα σκοτεινά φωτόνια, αλλά θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με τον κόσμο μας. Σε αυτό το σενάριο, η σκοτεινή ύλη εκπέμπει σκοτεινά φωτόνια, τα οποία είναι σχετικά μαζικά σωματίδια. Αυτό σημαίνει ότι έχουν αποτελέσματα μόνο σε μικρό χρονικό διάστημα, σε αντίθεση με τους ομολόγους τους που φέρουν φως. Αλλά περιστασιακά, ένα σκοτεινό φωτόνιο θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με ένα κανονικό φωτόνιο, αλλάζοντας την ενέργεια και τη τροχιά του.
Αυτό θα ήταν ένα πολύ σπάνιο γεγονός. αλλιώς, θα παρατηρούσαμε κάτι που θα μπορούσε να συμβαίνει με τον ηλεκτρομαγνητισμό εδώ και πολύ καιρό.
Έτσι, ακόμη και με τα σκοτεινά φωτόνια, δεν θα είχαμε τη δυνατότητα να δούμε απευθείας τη σκοτεινή ύλη, αλλά θα μπορούσαμε να ξεγελάσουμε την ύπαρξη των σκοτεινών φωτονίων με την εξέταση των σβώλων των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Σε ένα μικρό κλάσμα αυτών των σβώλων, ένα σκοτεινό φωτόνιο θα μπορούσε να "κλέψει" την ενέργεια από ένα κανονικό φωτόνιο αλληλεπιδρώντας μαζί του.
Αλλά, όπως είπα, χρειαζόμαστε περιθώρια αλληλεπιδράσεων. Απλά συμβαίνει ότι έχουμε κατασκευάσει γιγαντιαίες μηχανές επιστήμης για να παράγουμε ακριβώς αυτό, έτσι έχουμε τύχη.
Στο έγγραφο arXiv, οι φυσικοί ανέφεραν τα αποτελέσματά τους αφού εξέτασαν δεδομένα τριών ετών από το Super Proton Synchrotron, το δεύτερο μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων στο CERN. Για αυτό το πείραμα, οι επιστήμονες έσπασαν τα πρωτόνια ενάντια στο υποατομικό ισοδύναμο ενός τοίχου από τούβλα και κοίταξαν όλα τα κομμάτια μετά το τέλος.
Στα συντρίμμια, οι ερευνητές βρήκαν ηλεκτρόνια - πολλά από αυτά. Κατά τη διάρκεια των τριών ετών, οι επιστήμονες υπολογίζουν πάνω από 20 δισεκατομμύρια ηλεκτρόνια με ενέργεια άνω των 100 GeV. Επειδή τα ηλεκτρόνια φορτίζονται σωματίδια και επιθυμούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας σε αυτό το πείραμα έφεραν και πολλά φωτόνια. Εάν υπάρχουν σκούρα φωτόνια, τότε θα πρέπει μερικές φορές να αλληλεπιδρούν και να κλέβουν ενέργεια από ένα από τα κανονικά φωτόνια, ένα φαινόμενο που θα εμφανιστεί στο πείραμα σαν έλλειψη φωτός.
Αυτή η αναζήτηση για σκοτεινά φωτόνια ήρθε άδειο - όλα τα φυσιολογικά φωτόνια ήταν παρόντα και αντιπροσώπευαν - αλλά αυτό δεν αποκλείει εντελώς την ύπαρξη σκοτεινών φωτονίων. Αντίθετα, θέτει όρια στις επιτρεπόμενες ιδιότητες αυτών των σωματιδίων. Εάν υπάρχουν, θα είναι χαμηλής ενέργειας (λιγότερο από ένα GeV, με βάση τα αποτελέσματα του πειράματος) και σπάνια θα αλληλεπιδρούν με κανονικά φωτόνια.
Η αναζήτηση σκοτεινών φωτονίων συνεχίζεται, ωστόσο, με τις μελλοντικές διαδρομές του πειράματος που βρίσκονται στο σπίτι ακόμα περισσότερο σε αυτό το προτεινόμενο πλάσμα του υποατομικού κόσμου.
Διαβάστε περισσότερα: "Αναζήτηση σκούρων αντικειμένων σε εκδηλώσεις που αγνοούν ενέργεια με NA64"
Paul M. Sutter είναι ένας αστροφυσικός στο Το κρατικό πανεπιστήμιο του Οχάιο, υποδοχής "Ρωτήστε έναν διαστημόπλοιο" και "Διαστημικό ραδιόφωνο, "και συγγραφέας του"Η Θέση σας στο Σύμπαν."
