Μια πιθανή ανακάλυψη που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά την εικόνα που έχουμε για το Σύμπαν και να γράψει ένα νέο κεφάλαιο στην ιστορία της Φυσικής υποστηρίζουν ότι έκαναν ερευνητές, οι οποίοι εντόπισαν ένα σήμα που ενδέχεται να προέρχεται από το πρώτο σωματίδιο σκοτεινής ύλης που έχει παρατηρηθεί ποτέ.
Η σκοτεινή ύλη αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης Φυσικής. Εκτιμάται ότι αντιστοιχεί περίπου στο 85% της ύλης του Σύμπαντος, ωστόσο οι επιστήμονες, παρά τις δεκαετίες ερευνών, δεν έχουν καταφέρει μέχρι σήμερα να προσδιορίσουν από τι ακριβώς αποτελείται.
Οι θεωρίες που έχουν διατυπωθεί είναι πολλές και περιλαμβάνουν διαφορετικά είδη σωματιδίων και δυνάμεων, αλλά ακόμη και την πιθανότητα η εξήγηση να βρίσκεται σε μια διαφορετική μορφή βαρύτητας. Για πολλά χρόνια, πάντως, η επικρατέστερη θεωρία ήταν ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από τα λεγόμενα WIMP, δηλαδή «ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια» (Weakly Interacting Massive Particles).
Οι επιστήμονες έχουν κατασκευάσει ολοένα και ισχυρότερους ανιχνευτές στην προσπάθειά τους να εντοπίσουν τα WIMP. Ωστόσο, η επίμονη απουσία σαφούς σήματος τα τελευταία χρόνια οδήγησε αρκετούς φυσικούς να αμφισβητήσουν ακόμη και το κατά πόσο αυτά τα σωματίδια υπάρχουν, στρέφοντας την έρευνα προς πιο εξωτικές θεωρίες για τη φύση της σκοτεινής ύλης.
Τώρα, όμως, μια νέα ανάλυση δεδομένων από το πείραμα LUX-ZEPLIN (LZ) μπορεί να αλλάξει τα δεδομένα.
Η ερευνητική ομάδα επανεξέτασε στοιχεία από τον ανιχνευτή που βρίσκεται στη Νότια Ντακότα των Ηνωμένων Πολιτειών και εντόπισε ένα μεμονωμένο γεγονός που ενδέχεται να αποτελεί την πρώτη ένδειξη ενός WIMP.
«Το αποτέλεσμα είναι σίγουρα συναρπαστικό, επειδή παρέχει μια πιθανή θετική ένδειξη για το τι θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη και όχι απλώς για το τι δεν θα μπορούσε να είναι», δήλωσε η JiJi Fan από το Πανεπιστήμιο Brown, η οποία δεν συμμετείχε στην ανάλυση.
Ένας γιγάντιος ανιχνευτής βαθιά κάτω από τη Γη
Το πείραμα LZ έχει σχεδιαστεί ειδικά για να αναζητά τα εξαιρετικά δύσκολα ανιχνεύσιμα σωματίδια της σκοτεινής ύλης. Για τον λόγο αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν μια τεράστια δεξαμενή που περιέχει επτά τόνους υγρού ξένου.
Ολόκληρη η εγκατάσταση περιβάλλεται από πολλαπλά στρώματα προστασίας και βρίσκεται θαμμένη σε βάθος μεγαλύτερο του ενός χιλιομέτρου κάτω από την επιφάνεια της Γης. Ο στόχος είναι να περιοριστούν όσο το δυνατόν περισσότερο οι παρεμβολές από άλλα σωματίδια που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ψευδή σήματα.
Όταν ένα σωματίδιο από το εξωτερικό περιβάλλον προσκρούσει σε ένα άτομο ξένου, προκαλεί μια εξαιρετικά μικρή λάμψη. Αυτή καταγράφεται από ευαίσθητους ανιχνευτές που περιβάλλουν τη δεξαμενή. Από το φως αυτό οι επιστήμονες μπορούν να ανασυνθέσουν την πορεία του εισερχόμενου σωματιδίου και να υπολογίσουν την ενέργεια της αλληλεπίδρασης.
Στην αναζήτηση των WIMP, οι ερευνητές επικεντρώνονται συνήθως σε γεγονότα με ενέργεια μικρότερη από περίπου 30 κιλοηλεκτρονιοβόλτ (keV). Αυτό βασίζεται στο απλούστερο μοντέλο αλληλεπίδρασης, σύμφωνα με το οποίο ένα WIMP ουσιαστικά προσκρούει σε ένα μεμονωμένο νουκλεόνιο, δηλαδή πρωτόνιο ή νετρόνιο, μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου ξένου.
Καθώς όμως δεν είχαν βρεθεί ενδείξεις WIMP σε αυτό το ενεργειακό εύρος, η ομάδα αποφάσισε να επανεξετάσει τα δεδομένα των πρώτων 220 ημερών λειτουργίας του ανιχνευτή, αναζητώντας αυτή τη φορά γεγονότα υψηλότερης ενέργειας.
Και εκεί βρέθηκε το ενδιαφέρον σήμα.
Το μυστηριώδες γεγονός στα 248 keV
Το υποψήφιο σωματίδιο καταγράφηκε σε ενέργεια περίπου 248 keV, πολύ υψηλότερη από το όριο στο οποίο συνήθως αναζητούνται τα WIMP.
«Δεν πρέπει ποτέ να υποθέτεις ότι η φύση θα κάνει κάτι με τον εύκολο τρόπο», δήλωσε ο Richard Gaitskell, εκπρόσωπος του LZ, επίσης από το Πανεπιστήμιο Brown. «Κανείς δεν μπορεί να κατηγορήσει το Σύμπαν μας ότι κάνει τις πιο απλές και φυσικά προφανείς επιλογές».
Ένα γεγονός τόσο υψηλής ενέργειας δεν θα μπορούσε να εξηγηθεί από την απλούστερη μορφή αλληλεπίδρασης ενός WIMP με ένα μεμονωμένο νουκλεόνιο. Αν πράγματι πρόκειται για WIMP, τότε οι επιστήμονες εκτιμούν ότι θα πρέπει να έχει αλληλεπιδράσει με έναν πολύ πιο σύνθετο τρόπο, επηρεάζοντας ολόκληρο τον πυρήνα του ατόμου ξένου.
Αυτό οδηγεί σε μια ακόμη πιο εντυπωσιακή εκτίμηση: το συγκεκριμένο WIMP θα πρέπει να έχει μάζα μεγαλύτερη από 200 φορές τη μάζα ενός πρωτονίου.
«Δεν είναι μόνο ότι βλέπουν κάτι, αλλά ότι υπάρχει μια ένδειξη για το ποιος μπορεί να είναι ο υποκείμενος μηχανισμός», δήλωσε ο Wick Haxton από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, ο οποίος δεν συμμετείχε στην ανάλυση. «Εάν όλα αυτά επιβεβαιωθούν, η καμπύλη μάθησής μας θα γίνει από εδώ και πέρα πολύ απότομη».
Γιατί δεν μιλούν ακόμη για ανακάλυψη
Παρά τον ενθουσιασμό, οι επιστήμονες είναι ιδιαίτερα προσεκτικοί. Το αποτέλεσμα δεν θεωρείται ακόμη οριστική ανακάλυψη.
Στη σωματιδιακή Φυσική χρησιμοποιείται ένας ιδιαίτερα αυστηρός στατιστικός κανόνας για να αποφασιστεί εάν ένα σήμα αποτελεί πραγματική ανακάλυψη ή μπορεί να είναι αποτέλεσμα τυχαίας διακύμανσης. Το απαιτούμενο όριο είναι τα 5 σίγμα.
Ένα αποτέλεσμα 5 σίγμα σημαίνει ότι η πιθανότητα να εμφανιστεί ένα αντίστοιχο σήμα τυχαία, χωρίς να υπάρχει πραγματικό φαινόμενο από πίσω, είναι περίπου μία στις 3,5 εκατομμύρια.
Η συγκεκριμένη ένδειξη του LZ βρίσκεται σήμερα στα 2,6 σίγμα. Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε μία πιθανότητα στις 200 να πρόκειται για τυχαίο γεγονός.
Μπορεί η πιθανότητα αυτή να μοιάζει μικρή, όμως για τα δεδομένα της σωματιδιακής Φυσικής δεν είναι αρκετή για να ανακοινωθεί μια νέα ανακάλυψη.
«Στην επιστήμη κάνουμε τόσα πολλά πειράματα που, φοβάμαι, ένα γεγονός με πιθανότητα μία στις 100 θα το συναντήσεις αρκετά συχνά», ανέφερε χαρακτηριστικά ο Gaitskell.
Τα επόμενα δεδομένα μπορεί να κρίνουν τα πάντα
Η σημαντικότερη ίσως λεπτομέρεια είναι ότι η νέα ανάλυση δεν χρησιμοποίησε το σύνολο των δεδομένων που έχει ήδη συγκεντρώσει το πείραμα LZ. Εξετάστηκε περίπου το ένα τρίτο των διαθέσιμων δεδομένων.
Αυτό σημαίνει ότι οι ερευνητές έχουν ήδη στη διάθεσή τους πολύ περισσότερο υλικό για να ελέγξουν εάν το συγκεκριμένο γεγονός αποτελεί μέρος ενός πραγματικού μοτίβου.
Παράλληλα, υπάρχουν και άλλοι ανιχνευτές σκοτεινής ύλης σε διαφορετικά σημεία του κόσμου, οι οποίοι έχουν συλλέξει τα δικά τους δεδομένα. Εάν εντοπιστούν επιπλέον γεγονότα στην ίδια ενεργειακή περιοχή, η στατιστική ισχύς του σήματος θα μπορούσε να αυξηθεί σημαντικά και να πλησιάσει ή ακόμη και να φτάσει το όριο των 5 σίγμα.
«Πριν μπορέσουμε να πανηγυρίσουμε, χρειαζόμαστε μερικά ακόμη δεδομένα. Όμως τώρα έχουν κάτι στο οποίο μπορούν να εστιάσουν, γνωρίζουν πού πρέπει να κοιτάξουν», δήλωσε ο Haxton.
Μια ανακάλυψη που θα άλλαζε την εικόνα του Σύμπαντος
Η επιβεβαίωση ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης θα αποτελούσε μία από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις στην ιστορία της Φυσικής.
Η σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα με τα σημερινά τηλεσκόπια, όμως οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι υπάρχει λόγω της βαρυτικής επίδρασής της στη δομή και την κίνηση του Σύμπαντος. Το γεγονός ότι αποτελεί περίπου το 85% της ύλης του Σύμπαντος καθιστά το ερώτημα για τη φύση της ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα προβλήματα της σύγχρονης επιστήμης.
Η άμεση ανίχνευση ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να προσφέρει πληροφορίες για τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος, οι οποίες διαφορετικά είναι σχεδόν αδύνατο να προσδιοριστούν. Παράλληλα, θα μπορούσε να κλονίσει το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής Φυσικής, το θεωρητικό πλαίσιο που περιγράφει τα γνωστά θεμελιώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους.
Προς το παρόν, πάντως, οι επιστήμονες κρατούν χαμηλούς τόνους. Το σήμα είναι ενδιαφέρον, η πιθανότητα να αποτελεί πραγματικό φαινόμενο είναι αρκετή για να προκαλέσει ενθουσιασμό, αλλά όχι αρκετή για να μιλήσουμε ακόμη για οριστική ανακάλυψη.
Αν τα επόμενα δεδομένα επιβεβαιώσουν το εύρημα και το σήμα φτάσει τελικά τα 5 σίγμα, τότε οι φυσικοί δεν θα έχουν απλώς εντοπίσει ένα ακόμη άγνωστο σωματίδιο. Θα έχουν κάνει το πρώτο αποφασιστικό βήμα για να λύσουν ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του Σύμπαντος και να αλλάξουν για πάντα τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τη Φυσική και την ίδια την κοσμική μας πραγματικότητα.
Με πληροφορίες από το NewScientist / Scientificamerican / Lz.lbl.gov
