Τα πάντα γύρω από την Σκοτεινή Ύλη

Η εποχή των γεωγραφικών εξερευνήσεων της Γης ολοκληρώθηκε τον περασμένο αιώνα. Η κορυφή του Έβερεστ πατήθηκε το 1953, η τάφρος των Μαριανών εξερευνήθηκε το 1960, ενώ ο Βόρειος και Νότιος Πόλος το 1908 και 1911, αντίστοιχα. Ο περασμένος αιώνας θα μείνει στην ιστορία και για ένα ακόμη πιο σημαντικό ορόσημο: κατανοήσαμε την δομή της γνωστής μας ύλης, και επιπλέον η κβαντική μηχανική και η σχετικότητα μας δίδαξαν ότι πολλές φορές τα «πράγματα» που παρατηρούμε διαθέτουν μια εγγενή φύση που έρχεται σε αντίθεση με τη διαίσθησή μας. Όμως η εποχή των επιστημονικών εξερευνήσεων της ύλης δεν έχει τελειώσει ακόμα. Στην πραγματικότητα, το μεγαλύτερο ποσοστό της ύλης του σύμπαντος – που αναφέρεται με το όνομα Σκοτεινή Ύλη – παραμένει ακατανόητο.

Με έναν παρόμοιο τρόπο όπως οι γεωγραφικές εξερευνήσεις έχουν μεταταφερθεί από την Γη στο διάστημα, το ίδιο συμβαίνει και με τις εξερευνήσεις μας για την ύλη. Η ύπαρξη της Σκοτεινής Ύλης αποδεικνύεται με αστρονομικές παρατηρήσεις από γαλαξιακές έως κοσμολογικές κλίμακες. Όμως, αυτές οι παρατηρήσεις διερευνούν μόνο τη βαρυτική συμπεριφορά της Σκοτεινής Ύλης – την συνολική μάζα και τις χωρικές κατανομές της. Για να καταλάβουμε τι είναι πραγματικά η Σκοτεινή Ύλη, πρέπει επίσης να παρατηρήσουμε κι άλλες πιθανές αλληλεπιδράσεις της με την συνηθισμένη ύλη.

Δεδομένης της σημασίας του προβλήματος, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός η Σκοτεινή Ύλη έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή: πραγματοποιούνται πολλά πειράματα και μέχρι σήμερα το 10% περίπου των εργασιών στην κοσμολογία, την αστροφυσική και τη σωματιδιακή φυσική αναφέρονται στην «σκοτεινή ύλη».

Αυτό μας οδηγεί στο ερώτημα: γιατί μια ακόμα ανασκόπιση; Ο λόγος, σύμφωνα με τους Marco Cirelli, Alessandro Strumia και Jure Zupan, είναι ότι ο τομέας γνώρισε μια ραγδαία εξέλιξη τα τελευταία χρόνια και τώρα βρίσκεται σε ένα σημείο καμπής. Για παράδειγμα, πριν από πολλά χρόνια, ο όρος «νετραλίνο (neutralino)» χρησιμοποιούνταν συχνά ως συνώνυμος με το «WIMP» (Weakly Interacting Massive Particle=Ασθενώς Αλληλεπιδρών Σωματίδιο με Μάζα), το οποίο με τη σειρά του θεωρήθηκε ως «σωματίδιο Σκοτεινής Ύλης».

Σύμφωνα με την ανασκόπηση των Cirelli et al, και όπως είναι προφανές σε όσους εργάζονται στον τομέα, πρόκειται για σοβαρές και περιοριστικές απλουστεύσεις. Δικαιολογούνταν κάπως από τις θεωρητικές προκαταλήψεις που κυριαρχούσαν στο πεδίο της σωματιδιακής φυσικής μέχρι πριν από περίπου μια δεκαετία, αλλά δεν δικαιολογούνται πλέον στις μέρες μας. Η επανεξέταση αυτών των θεωρητικών υποθέσεων πυροδοτήθηκε από το γεγονός ότι η ίδια η θεωρητική βάση των νετραλίνων – η υπερσυμμετρία – δεν αποδείχθηκε πειραματικά (μέχρι σήμερα) στους επιταχυντές και ειδικότερα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), χωρίς θετικά στοιχεία μέχρι στιγμής. Επιπλέον, η ίδια η υπόθεση του WIMP βρίσκεται υπό στενή διερεύνηση και ο βιώσιμος χώρος παραμέτρων της μειώθηκε σημαντικά τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Σήμερα επανεξετάζεται ακόμα και η παλαιότερη κοινή σιωπηρή υπόθεση ό,τι η Σκοτεινή Ύλη είναι ένα νέο στοιχειώδες σωματίδιο.

Η έλλειψη πειραματικών στοιχείων για αλληλεπιδράσεις (εκτός των βαρυτικών) της σκοτεινής ύλης μπορεί να σημαίνει ότι η Σκοτεινή Ύλη είναι κάτι πέρα ​​από τα τρέχοντα θεωρητικά μας Παραδείγματα. Έτσι, η επιστημονική κοινότητα διερευνά και άλλες δυνατότητες που δεν είχαν μεγάλη προσοχή μέχρι σήμερα. Σε αυτή τη χρονική στιγμή φαίνεται επομένως χρήσιμο να επανεξεταστεί η κατάσταση της έρευνας για την Σκοτεινή Ύλη, από μια ευρύτερη σκοπιά. Αυτό δεν σημαίνει απόρριψη των «παραδοσιακών» ερευνητικών κατευθύνσεων αλλά μάλλον προσθήκη νέων. Η πρόκληση που αντιμετωπίζει κάποιος για να το κάνει είναι ότι το πεδίο κατακερματίζεται, καθιστώντας δύσκολο να αποφασίσει σε ποια ζητήματα ή πτυχές θα πρέπει να δώσει μεγαλύτερη βαρύτητα σε μια τέτοια προσπάθεια.

Η τρέχουσα κατάσταση στη φυσική της Σκοτεινής Ύλης μπορεί να είναι παρόμοια με τη χρονική στιγμή που οι αρχαίοι φιλόσοφοι συζητούσαν τη φύση της συνηθισμένης ύλης: η αόριστη ιδέα των ατόμων προτάθηκε μαζί με άλλες πιθανότητες, καλές ιδέες συσσωρεύτηκαν μέχρι να σταματήσουν οι συζητήσεις, περιμένοντας το «εύρηκα», μετά από το οποίο προέκυψε μια συνεκτική εικόνα και συσσωρεύτηκαν λογικά αποτελέσματα.

Ο παραπάνω πίνακας συνοψίζει την τρέχουσα κατάσταση και η παρακάτω εικόνα δείχνει μια χαρακτηριστική καμπύλη εξέλιξη της επιστήμης συναρτήσει του χρόνου.

Η συγγραφή μιας ανασκόπησης σχετικά με την Σκοτεινή Ύλη σήμερα, μοιάζει κάπως με την περιγραφή ενός ποδοσφαιρικού αγώνα που εξελίσσεται ενώ το σκόρ βρίσκεται στο 0−0, όπου μπορεί κανείς εύκολα να πέσει στην παγίδα να συντάξει μια βαρετή λίστα με διάφορες προσπάθειες. Οι Cirelli et al προσπαθούν να επιτύχουν μια λογική ισορροπία μεταξύ μιας σύντομης συζήτησης των κύριων σημείων των διαφόρων δυνατοτήτων και ενός περιεκτικού αλλά κουραστικού καταλόγου.

Το δημοσίευση των Marco Cirelli, Alessandro Strumia και Jure Zupan για την Σκοτεινή Ύλη είναι δομημένη ως εξής:

• Το Μέρος Ι εξετάζει βασικά γεγονότα και ιδέες.
  – Το Κεφάλαιο 1 συνοψίζει στοιχεία για την Σκοτεινή Ύλη από την αστροφυσική και την κοσμολογία, τις επιπτώσεις για τις ιδιότητές της και πιθανές εναλλακτικές λύσεις.
  – Το Κεφάλαιο 2 συνοψίζει όσα γνωρίζουμε για την κατανομή της πυκνότητας και της ταχύτητας της Σκοτεινής Ύλης στον Γαλαξία μας και πέρα ​​από αυτόν.
  – Το Κεφάλαιο 3 εξετάζει τις βασικές ιδέες σχετικά με το τι θα μπορούσε να είναι η Σκοτεινή Ύλη, από τα σωματίδια στα κύματα έως τις αρχέγονες μαύρες τρύπες.
  – Το Κεφάλαιο 4 συνοψίζει ιδέες για το πώς σχηματίστηκε η Σκοτεινή Ύλη στην κοσμολογία: ως θερμικό λείψανο, ως μη θερμικό λείψανο, από τον πληθωρισμό κ.λπ.
• Το Μέρος II ασχολείται με πειραματικές αναζητήσεις της Σκοτεινής Ύλης.
  – Το Κεφάλαιο 5 εξετάζει την άμεση ανίχνευση (σύγκρουση Σκοτεινής Ύλης με τα γνωατά σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων).
  – Το Κεφάλαιο 6 εξετάζει την έμμεση ανίχνευση (εξαΰλωση ή διάσπαση σωματιδίων Σκοτεινής Ύλης προς σωματίδια Καθιερωμένου Προτύπου).
  – Το Κεφάλαιο 7 εξετάζει τις αναζητήσεις επιταχυντών (παραγωγή Σκοτεινής Ύλης από συγκρούσεις γνωστών σωματιδίων).
  – Το Κεφάλαιο 8 εξετάζει τις τρέχουσες ανωμαλίες που μπορεί να οφείλονται στην Σκοτεινή Ύλη.
• Το Μέρος ΙΙΙ εξετάζει τις θεωρίες Σκοτεινής Ύλης.
  – Το Κεφάλαιο 9 συζητά βασικά μοντέλα Σκοτεινής Ύλης.
  – Το Κεφάλαιο 10 συζητά ευρύτερα θεωρητικά πλαίσια που περιλαμβάνουν πιθανά υποψήφια σωματίδια Σκοτεινής Ύλης: υπερσυμμετρία, επιπλέον διαστάσεις, αξιόνια. . .
  – Οι εναλλακτικές θεωρίες χωρίς Σκοτεινή Ύλη και τα υποκείμενα θεωρητικά τους πλαίσια συζητούνται στο τελευταίο κεφάλαιο 11.