Μια αόρατη ουσία διαπερνά το σύμπαν, αλλάζοντας τα μονοπάτια των αστεριών και των γαλαξιών.
Αυτή η αποκαλούμενη σκοτεινή ύλη ασκεί μια βαρυτική έλξη, όμως ποτέ δεν αλληλεπιδρά με το φως. Κανείς δεν ξέρει τι είναι φτιαγμένος και ήταν αδύνατο να εντοπιστεί μέχρι τώρα. Αλλά μια νέα θεωρία θα μπορούσε τελικά να προσφέρει έναν τρόπο να δοκιμαστεί για τη σκοτεινή ύλη.
Η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από περίεργους ημίματους μαγνήτες, θεωρούν φυσιολόγοι από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας Ντέιβις σε μια παρουσίαση στις 6 Ιουνίου στο συνέδριο Planck 2019 στη Γρανάδα της Ισπανίας. Και ενεργοποιώντας ένα πολύ ισχυρό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, θα μπορούσαμε επιτέλους να το εντοπίσουμε.
Αλλά δεν είναι πεπεισμένοι όλοι οι φυσικοί.
"Νομίζω ότι είναι τακτοποιημένο, αλλά όχι πολύ ελπιδοφόρο", δήλωσε ο Sabine Hossenfelder, ερευνητής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών της Φρανκφούρτης, ο οποίος δεν ήταν μέλος της μελέτης. "Υπάρχουν άπειρα πολλά σωματίδια που μπορείτε να εφεύρουν που μπορεί να συνθέτουν σκοτεινή ύλη." Αυτό είναι μόνο ένα από αυτά, πρόσθεσε.
"Για κάθε ένα από αυτά τα σωματίδια μπορείτε να κάνετε πολλούς υπολογισμούς, να δημοσιεύσετε έγγραφα και να σκεφτείτε πειράματα, τα οποία στη συνέχεια μπορείτε να προσπαθήσετε να χρηματοδοτήσετε", ανέφερε. "Εάν είστε πραγματικά τυχεροί, κάποιος θα κάνει το πείραμά σας - που στη συνέχεια δεν θα βρει τίποτα".
Η αναζήτηση για τη σκοτεινή ύλη
Αν και οι θεωρίες προβλέπουν ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη, δεν έχουμε καμία ιδέα για το τι μοιάζει ή τι είναι φτιαγμένο. Για μια στιγμή, υπήρχε μια «όμορφη ιστορία» ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από ένα ξυλώδες, ντροπαλό θηρίο ενός σωματιδίου που είναι γνωστό ως ένα αδύναμο αλληλεπιδράμενο μαζικό σωματίδιο ή το WIMP, δήλωσε ο συν-συγγραφέας της νέας μελέτης, John Terning καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας Ντέιβις.
Για χρόνια, οι επιστήμονες αναζητούσαν αυτά τα αργά, χωρίς φορτία σωματίδια χρησιμοποιώντας ισχυρούς επιταχυντές σωματιδίων. Αλλά όσο περνούσε ο καιρός, οι φυσικοί απέκλεισαν όλο και περισσότερους υποψηφίους του WIMP - και η δημοφιλής ιδέα έχασε την έλξη. Αν και δεν αποκλείστηκε εντελώς, "τα τελευταία 10 χρόνια, οι άνθρωποι σκέφτονται για άλλες δυνατότητες εκτός από WIMPs", δήλωσε ο Terning.
Μια άλλη θεωρία προτείνει ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από σωματίδια φωτός ή φωτόνια.
"Εκτός από τα συνηθισμένα φωτόνια που μπορούμε να δούμε, θα μπορούσαν να υπάρχουν μερικά φωτόνια που δεν μπορούμε να δούμε", δήλωσε ο Terning. Αυτά τα λεγόμενα "σκοτεινά φωτόνια" είναι υποθετικά σωματίδια που έχουν μάζα, αλλά είναι ελαφρύτερα από τα ηλεκτρόνια. Τα σκοτεινά φωτόνια θα αλληλεπιδρούν - αν και μάλλον ασθενώς - με κανονικά φωτόνια.
Σε αυτή τη νέα μελέτη, ο Terning και ο μεταδιδακτορικός ερευνητής του, Christopher Verhaaren, βασισμένοι σε αυτή τη θεωρία, πρότειναν ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε επίσης να αποτελείται από σκοτεινούς μισούς μαγνήτες. Αυτοί οι υποθετικοί ημι-μαγνήτες θα ήταν σκοτεινές εκδοχές των μακρού επιδιωκόμενων μονόπολων ή μαγνητών που έχουν μόνο έναν πόλο, τον οποίο ο φυσικός Paul Dirac πρότεινε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1930. (Παρά τις δεκαετίες κυνηγιού, κανείς δεν βρήκε ακόμη στοιχεία για τη φύση τους).
Ο Dirac δεν πρότεινε μόνο μονοπώλια, όμως. πρότεινε επίσης ότι ένα ηλεκτρόνιο που κινείται γύρω από ένα μονοπώλιο θα επηρεάζεται από το μαγνητικό του πεδίο. Έτσι, εάν η θεωρία του Terning και του Verhaaren είναι σωστή και οι σκοτεινές εκδοχές αυτών των ημιμαγνητών παραμονεύουν κάπου στο σύμπαν -και αν αυτοί οι σκοτεινοί ημι-μαγνήτες δρουν σαν το μονοπώλιο του Dirac- θα αφήσουν επίσης έντονες ενδείξεις στα μονοπάτια των ηλεκτρονίων.
Αν υπάρχουν σκοτεινοί μονόπολοι, θα εκπέμπουν σκοτεινά φωτόνια που μπορούν να μετασχηματιστούν σε κανονικά φωτόνια πριν απορροφηθούν από ηλεκτρόνια, είπε ο Terning. Αυτή η αλληλεπίδραση θα αναγκάσει τα ηλεκτρόνια να περιστρέψουν ή να αλλάξουν φυσικά ένα μικρό κομμάτι, παράγοντας ένα πρότυπο παρεμβολής που ονομάζεται αποτέλεσμα Aharonov-Bohm. (Τα ηλεκτρόνια δεν είναι απλώς σωματίδια, είναι επίσης κύματα και ένα πρότυπο παρεμβολής είναι αυτό που εμφανίζεται όταν οι κορυφές και οι κοιλάδες στην "κυματική εξίσωση" του ηλεκτρονίου είτε συσσωρεύονται είτε ακυρώνονται ο ένας τον άλλον, δημιουργώντας μια σειρά παράλληλων φώτων και σκοτεινές γραμμές.) Οι Terning και Verhaaren προτείνουν ότι θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν αυτήν την πολύ μικρή αλλαγή στα πρότυπα παρεμβολής ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά μικροσκόπια.
Ενθουσιασμένος από τον ήλιο
Αν υπάρχει σκοτεινή ύλη, είναι μέσα σε μας και γύρω μας - συμπεριλαμβανομένων και μέσα σε οποιοδήποτε μικροσκόπιο δέσμης ηλεκτρονίων που θα το χρησιμοποιήσαμε για να το ανιχνεύσουμε. Αλλά για να ανιχνεύσουν τη σκοτεινή ύλη διαμέσου της διατάραξης των ηλεκτρονίων, οι περίεργοι ημι-μαγνήτες που σχηματίζουν τη σκοτεινή ύλη θα πρέπει να έχουν ένα αρκετά ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Αυτό σημαίνει ότι αυτοί οι ημι-μαγνήτες θα πρέπει να έχουν πολλή ενέργεια.
Τα μονοπώλια που περνούν κοντά στον ήλιο θα μπορούσαν να γίνουν ενθουσιασμένα, να αποκτήσουν περισσότερη ενέργεια και στη συνέχεια να κάνουν το δρόμο τους προς τη Γη, είπε ο Terning. Προβλέπει ότι περίπου πέντε από αυτά τα ενθουσιασμένα μονοπώλια την ημέρα θα περάσουν από κάτι το μέγεθος του προτεινόμενου μικροσκοπίου δέσμης ηλεκτρονίων. "Αυτό δεν είναι κακό γιατί οι συνηθισμένοι ανιχνευτές WIMP θα ήταν ευτυχείς αν είχαν πέντε γεγονότα το χρόνο", είπε.
Επιπλέον, η αλλαγή της ηλεκτρονικής φάσης που προκαλείται από τους σκοτεινούς μισούς μαγνήτες θα ήταν τόσο μικροσκοπική ώστε, για να την ανιχνεύσουμε, θα χρειαζόμασταν μικροσκόπια δέσμης ηλεκτρονίων εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης - αυτά που υπάρχουν σήμερα πιθανότατα δεν είναι αρκετά ισχυρά . Αυτό το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο θα πρέπει να έχει ένα ψήφισμα που είναι πέντε φορές μεγαλύτερο από αυτά που υπάρχουν σήμερα, είπε ο Terning.
Εν πάση περιπτώσει, ελπίζουμε να «προσελκύσουμε αυτούς τους ανθρώπους με τα υπερσύγχρονα ηλεκτρονικά μικροσκόπια που ενδιαφέρονται να ψάξουν για αυτό» ή εμείς «θα χρειαζόταν να χτίσουμε ένα άλλο μόνο για να καθίσετε και να περιμένουμε τη σκοτεινή ύλη», είπε ο Terning.
Οι διάφορες ανταγωνιστικές θεωρίες της σκοτεινής ύλης θα μας έδιναν εντελώς διαφορετικές ιστορίες για το πώς σχηματίστηκε το πρώιμο σύμπαν, είπε. Επιπλέον, μόλις καταλάβετε από ποια σκοτεινή ύλη πραγματικά φτιάχνεται - είτε είναι ελαφριά είτε βαριά σωματίδια - οι άνθρωποι θα μπορούσαν πιθανώς να δημιουργήσουν εργοστάσια σκοτεινής ύλης, εδώ, στη Γη. "Αν είναι πολύ ελαφρύ, δεν χρειάζεστε πολύ ενέργεια για να φτιάξετε τη δική σας σκοτεινή ύλη".
Οι επιστήμονες δημοσίευσαν τη μελέτη τους στο περιοδικό preprint arXiv. Δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομότιμους.
