Επιστήμονες μπορεί να έκαναν μια σημαντική πρόοδο στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης παρατηρώντας ενδείξεις για την παρουσία της κατά τη διάρκεια ενός πειράματος περίπου 1,6 χλμ. κάτω από την επιφάνεια της γης στη Νότια Ντακότα αν και απέφυγαν να πουν ότι έχουν πλέον ανιχνεύσει οριστικά αυτό το μυστηριώδες κοσμικό συστατικό.
Οι ερευνητές περιέγραψαν σε μελέτη τους μια αλληλεπίδραση σωματιδίων που καταγράφηκε στο Sanford Underground Research Facility, μια εγκατάσταση που έχει κατασκευαστεί σε ένα πρώην χρυσωρυχείο στην περιοχή Black Hills της Νότιας Ντακότα.
Η αλληλεπίδραση ενδέχεται να περιλάμβανε ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται WIMP, ακρωνύμιο του όρου «weakly interacting massive particle» («μαζικό σωματίδιο που αλληλεπιδρά ασθενώς»). Πρόκειται για έναν από τους υποψήφιους τύπους σωματιδίων που θα μπορούσαν να αποτελούν τη σκοτεινή ύλη.
Η συνηθισμένη ύλη αποτελεί τα άστρα, τους πλανήτες, τους ανθρώπους και οτιδήποτε άλλο μπορούμε να δούμε. Ωστόσο, αντιπροσωπεύει μόλις περίπου το 15% του συνόλου της ύλης στο Σύμπαν. Το υπόλοιπο θεωρείται ότι είναι σκοτεινή ύλη, η οποία δεν εκπέμπει ούτε ανακλά φως, με αποτέλεσμα να είναι αόρατη στο ανθρώπινο μάτι και στα τηλεσκόπια. Οι επιστήμονες, όμως, είναι πεπεισμένοι ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει λόγω των βαρυτικών της επιδράσεων σε γαλαξιακές κλίμακες.
Ο σωματιδιακός φυσικός Σαμ Έρικσεν από το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στην Αγγλία, κύριος συγγραφέας μελέτης που περιγράφει την έρευνα, δήλωσε ότι αυτό «θα μπορούσε να είναι η πρώτη ένδειξη παρατήρησης της σκοτεινής ύλης».
Το πείραμα
Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αλληλεπιδρά εξαιρετικά σπάνια με τη συνηθισμένη ύλη. Το συνεχιζόμενο πείραμα LUX-ZEPLIN, ή LZ, στο οποίο πραγματοποιήθηκε η παρατήρηση, έχει σχεδιαστεί για να εντοπίζει τέτοιου είδους αλληλεπιδράσεις και είναι βελτιστοποιημένο για την αναζήτηση WIMPs.
Χρησιμοποιεί 10 τόνους του χημικού στοιχείου ξένου σε υγρή μορφή μέσα σε μια συσκευή ανίχνευσης — ένα μεγάλο κυλινδρικό δοχείο — που διαχειρίζεται το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
Οι ερευνητές αναζητούν περιπτώσεις κατά τις οποίες σωματίδια σκεδάζονται από άτομα ξένου. Όταν ένα σωματίδιο σκεδάζεται, θα μπορούσαν να παρατηρήσουν αναλαμπές φωτός, με τα χαρακτηριστικά αυτών των αναλαμπών να αποκαλύπτουν το είδος του σωματιδίου που αλληλεπίδρασε με το ξένο.
Σε ανακοίνωση που έγινε σε επιστημονικό συνέδριο στην Ιαπωνία και περιγράφεται στη μελέτη οι ερευνητές περιέγραψαν την ανίχνευση μιας αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός ατόμου ξένου και ενός άλλου σωματιδίου, η οποία φάνηκε να εξελίσσεται με τρόπο που προβλέπεται για ένα WIMP.
Είπαν ότι αυτό που ενδέχεται να παρατήρησαν ήταν ένα WIMP που συγκρούστηκε με τον πυρήνα ενός ατόμου ξένου, μεταφέροντας μια μικρή ποσότητα ενέργειας η οποία παρήγαγε μια αμυδρή λάμψη υπεριώδους φωτός που ανιχνεύθηκε στο πείραμα. Η σύγκρουση προκάλεσε επίσης την απότομη κίνηση του πυρήνα του ατόμου ξένου προς τα εμπρός, σε αυτό που ονομάζεται «πυρηνική ανάκρουση» (nuclear recoil).
«Μόνο ένα γεγονός»
Παρότι οι ερευνητές δήλωσαν ότι η αλληλεπίδραση συμπεριφέρθηκε όπως θα περίμεναν από ένα WIMP τόνισαν ότι η παρατήρηση δεν πληροί ακόμη το απαιτούμενο στατιστικό όριο για να χαρακτηριστεί ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης.
«Είναι σημαντικό ότι, καθώς πρόκειται για ένα μόνο γεγονός, δεν ισχυριζόμαστε ότι πρόκειται για σκοτεινή ύλη», δήλωσε ο Έρικσεν. Οι ερευνητές εργάζονται για να αποκλείσουν άλλες πιθανές εξηγήσεις. «Μπορεί να παρατηρούμε κάτι εξαιρετικό, αλλά πρέπει να είμαστε εξαιρετικά αυστηροί πριν καταλήξουμε σε αυτό το συμπέρασμα» δήλωσε ο αστροφυσικός του UCLA και συν-συγγραφέας της μελέτης Άλβιν Κάμαχα.
Οι επιστήμονες δεν είναι βέβαιοι για τη φύση της σκοτεινής ύλης, όπως επίσης δεν είναι βέβαιοι για τη φύση της μυστηριώδους κοσμικής δύναμης που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια. «Θα μπορούσαν να περνούν εκατομμύρια σωματίδια σκοτεινής ύλης μέσα από το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο, και παρ’ όλα αυτά σχεδόν κανένα από αυτά δεν θα αλληλεπιδράσει ποτέ με ένα άτομο στο σώμα μας» λέει ο Κάμαχα.
Οι θεωρίες
Μια από τις επικρατέστερες θεωρίες είναι ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από έναν τύπο σωματιδίων που δημιουργήθηκε στο πρώιμο Σύμπαν και εξακολουθεί να υπάρχει μέχρι σήμερα.
«Όταν παρατηρούμε γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών βλέπουμε ότι συμπεριφέρονται σαν να περιέχουν πολύ περισσότερη μάζα από αυτή που μπορούμε να δούμε. Έτσι παρόλο που δεν μπορούμε να δούμε τη σκοτεινή ύλη την ίδια, μπορούμε να παρατηρήσουμε τις επιδράσεις που έχει η βαρύτητά της. Μπορείτε να σκεφτείτε τη σκοτεινή ύλη ως την κοσμική “κόλλα” που βοήθησε να καταστεί δυνατός ο σχηματισμός γαλαξιών όπως ο δικός μας γαλαξίας. Χωρίς τη σκοτεινή ύλη το Σύμπαν θα είχε εξελιχθεί με πολύ διαφορετικό τρόπο και οι δομές που τελικά οδήγησαν στη δημιουργία του ηλιακού μας συστήματος μπορεί να μην είχαν σχηματιστεί με τον ίδιο τρόπο» αναφέρει ο Κάμαχα.
Οι επιστήμονες αναζητούν τη σκοτεινή ύλη με διάφορους τρόπους. «Μελετάμε τις βαρυτικές της επιδράσεις στους γαλαξίες και στο σύμπαν. Προσπαθούμε να παράγουμε σωματίδια σκοτεινής ύλης σε επιταχυντές σωματιδίων. Και πραγματοποιούμε άμεση ανίχνευση χρησιμοποιώντας πειράματα που βρίσκονται βαθιά κάτω από τη γη, όπως το LZ, ώστε να προστατεύονται από τις κοσμικές ακτίνες και άλλες πηγές υποβάθρου, ενώ αναζητούμε την εξαιρετικά σπάνια περίπτωση κατά την οποία ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρά με τη συνηθισμένη ύλη» εξηγούν οι ερευνητές.
