Ερευνητές ενδέχεται να εντόπισαν τα πρώτα σημάδια ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης. Αν το αποτέλεσμα επιβεβαιωθεί, θα μπορούσε να πρόκειται για μία από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις στην ιστορία της φυσικής.
Η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 85% του σύμπαντος, όμως επί δεκαετίες οι φυσικοί δεν έχουν καταφέρει να προσδιορίσουν από τι αποτελείται. Οι υποθέσεις έχουν περιλάβει διαφορετικά είδη σωματιδίων και δυνάμεων, ακόμη και μια περίεργη μορφή βαρύτητας, αλλά η βασική ιδέα παραμένει σταθερά η ίδια: το ασθενώς αλληλεπιδρών μαζικό σωματίδιο, ή WIMP. Καθώς όμως έχουν κατασκευαστεί ολοένα και πιο ισχυροί ανιχνευτές για την αναζήτηση των WIMP, η αποτυχία τους να δώσουν αποτέλεσμα έχει οδηγήσει πολλούς να αμφισβητούν την ύπαρξή τους και να στρέφονται σε πιο εξωτικές ιδέες.
Αυτή η αμφιβολία ίσως σύντομα λάβει τέλος. Νέα ανάλυση δεδομένων από το πείραμα LUX-ZEPLIN (LZ) στη Νότια Ντακότα αποκάλυψε ένα μεμονωμένο σωματίδιο που μπορεί να είναι το πρώτο WIMP που έχει ποτέ ανιχνευθεί. «Αυτό το αποτέλεσμα είναι σίγουρα συναρπαστικό, γιατί προσφέρει μια πιθανή θετική ένδειξη για το τι θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη, όχι μόνο για το τι δεν θα μπορούσε να είναι», λέει η JiJi Fan από το Brown University στο Rhode Island, η οποία δεν συμμετείχε στην ανάλυση.
Το LZ αναζητά σκοτεινή ύλη χρησιμοποιώντας μια δεξαμενή 7 τόνων υγρού ξένου, η οποία περιβάλλεται από πολλαπλά στρώματα θωράκισης και βρίσκεται θαμμένη σε βάθος μεγαλύτερο του ενός χιλιομέτρου, ώστε να αποκλείονται άλλα είδη σωματιδίων. Όταν ένα εξωτερικό σωματίδιο χτυπά ένα άτομο ξένου, παράγεται μια μικρή λάμψη φωτός, την οποία καταγράφουν ευαίσθητοι ανιχνευτές γύρω από τη δεξαμενή. Οι ερευνητές μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν αυτό το φως για να ανασυνθέσουν την πορεία του εισερχόμενου σωματιδίου και το ενεργειακό επίπεδο της αλληλεπίδρασης.
Στην αναζήτηση των WIMP, συνήθως εξετάζουμε γεγονότα με ενέργειες κάτω από περίπου 30 κιλοηλεκτρονιοβόλτ (keV), λέει ο εκπρόσωπος του LZ Richard Gaitskell, επίσης από το Brown University. Αυτό προϋποθέτει το απλούστερο είδος αλληλεπίδρασης, στο οποίο το WIMP ουσιαστικά ανακλάται πάνω σε ένα μεμονωμένο νουκλεόνιο στον πυρήνα του ξένου. Αφού δεν βρέθηκαν ενδείξεις WIMP σε αυτό το εύρος ενέργειας, η ομάδα του LZ αποφάσισε να επανεξετάσει τα πρώτα 220 ημέρες δεδομένων από τον ανιχνευτή, αναζητώντας γεγονότα με υψηλότερες ενέργειες.
Εκεί βρήκαν τον υποψήφιο για σωματίδιο σκοτεινής ύλης, περίπου στα 248 keV. «Ποτέ δεν πρέπει να υποθέτεις ότι η φύση θα κάνει τα πράγματα με τον εύκολο τρόπο», λέει ο Gaitskell. «Κανείς δεν μπορεί να κατηγορήσει το σύμπαν μας ότι επιλέγει τις πιο απλές και φυσικές λύσεις».
Μια παράξενη ακτινοβολία γάμμα μπορεί να είναι η πιο άμεση ένδειξη σκοτεινής ύλης μέχρι σήμερα
Ένα τόσο υψηλής ενέργειας γεγονός δεν μπορεί να προήλθε από το απλούστερο είδος αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός WIMP και ενός νουκλεονίου. Αντίθετα, θα πρέπει να συνέβη μέσω μιας πιο σύνθετης σύζευξης ανάμεσα στο WIMP και ολόκληρο τον πυρήνα του ξένου. Αν ισχύει αυτό, το WIMP θα πρέπει να έχει μάζα περισσότερο από 200 φορές τη μάζα ενός πρωτονίου.
«Δεν είναι μόνο ότι βλέπουν κάτι, αλλά και ότι υπάρχει μια ένδειξη για το ποιος μπορεί να είναι ο βασικός μηχανισμός», λέει ο Wick Haxton από το University of California, Berkeley, ο οποίος δεν συμμετείχε στην ανάλυση. «Αν όλα αυτά σταθούν, η καμπύλη μάθησής μας θα είναι από εδώ και πέρα αρκετά απότομη».
Η άμεση ανίχνευση ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να αποκαλύψει μερικά από τα πιο καλά κρυμμένα μυστικά του σύμπαντος, μεταξύ των οποίων και πληροφορίες για το πρώιμο σύμπαν που αλλιώς είναι σχεδόν αδύνατο να εξαχθούν, και να ανατρέψει σημαντικά το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Όπως όμως σημειώνει ο Haxton, αυτή η ανίχνευση δεν είναι ακόμη βέβαιη.
Στη σωματιδιακή φυσική, το στατιστικό όριο για να περάσει ένα εύρημα από το στάδιο της ενδιαφέρουσας ένδειξης σε εκείνο της ισχυρής ανακάλυψης είναι ένα μέγεθος που ονομάζεται 5 sigma. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει περίπου μία πιθανότητα στις 3,5 εκατομμύρια το σήμα να εμφανιστεί τυχαία και όχι ως πραγματική ένδειξη σκοτεινής ύλης. Προς το παρόν, η ανίχνευση του LZ βρίσκεται στα 2,6 sigma, κάτι που σημαίνει ότι υπάρχει περίπου μία πιθανότητα στις 200 να πρόκειται για τυχαίο αποτέλεσμα.
Αυτό ίσως εξακολουθεί να μοιάζει σχετικά ασφαλές, όμως στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης απέχει πολύ από το να θεωρηθεί αρκετό. «Στην επιστήμη κάνουμε αμέτρητα πειράματα, και φοβάμαι ότι ένα περιστατικό της τάξης του 1 στα 100 δεν είναι καθόλου σπάνιο», λέει ο Gaitskell.
«Πριν μπορέσει κανείς να κηρύξει τη νίκη, χρειάζονται μερικά ακόμη δεδομένα, αλλά τώρα έχουν κάτι να στοχεύσουν, ξέρουν πού να κοιτάξουν», λέει ο Haxton. Το θετικό είναι ότι αυτή η ανάλυση κάλυψε μόνο περίπου το ένα τρίτο των δεδομένων που έχει ήδη συλλέξει το LZ, ενώ και άλλοι ανιχνευτές σκοτεινής ύλης σε όλο τον κόσμο διαθέτουν τα δικά τους στοιχεία. Λίγα ακόμη γεγονότα στο ίδιο εύρος ενέργειας θα μπορούσαν να ανεβάσουν την ανακάλυψη των WIMP στα 5 sigma και να αλλάξουν για πάντα την κατανόησή μας για τη φυσική και το σύμπαν.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
