Ένας νέος υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη και ένας τρόπος για να την ανιχνεύσει κάποιος

Δυο θεωρητικοί φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Davis, έχουν έναν νέο υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη και έναν πιθανό τρόπο για να ανιχνευτεί. Παρουσίασαν την εργασία τους σε συνέδριο στην Ισπανία στις 6 Ιουνίου και υποβλήθηκε για δημοσίευση. Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι συνιστά το περίπου ένα τέταρτο του σύμπαντος, με το περισσότερο από το υπόλοιπο να αποτελείται από την ακόμη περισσότερο μυστήρια σκοτεινή ενέργεια. Δεν μπορεί να γίνει αισθητή άμεσα, αλλά η παρουσία της σκοτεινής ύλης μπορεί να ανιχνευτεί επειδή η βαρύτητά της προσδιορίζει το σχήμα απομακρυσμένων γαλαξιών και άλλων αντικειμένων.

Πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από ορισμένα σωμάτια που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί. Για κάποιο καιρό, ο αγαπημένος υποψήφιος υπήρξε το μεγάλης μάζας σωμάτιο που αλληλεπιδρά ασθενώς, ή WIMP (weakly interacting massive particle). Όμως παρά την προσπάθεια χρόνων, τα WIMPs μέχρι τώρα δεν έχουν φανεί σε πειράματα που σχεδιάστηκαν για να τα ανιχνεύσουν. «Ακόμη δεν γνωρίζουμε τι είναι η σκοτεινή ύλη», ανέφερε ο John Terning, καθηγητής φυσικής και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. «Ο κύριος υποψήφιος για πολύ καιρό ήταν το WIMP, αλλά φαίνεται σαν αυτό σχεδόν να έχει αποκλειστεί τελείως».

Μια εναλλακτική για το μοντέλο WIMP της σκοτεινής ύλης προβλέπει μια μορφή «σκοτεινού ηλεκτρομαγνητισμού» που περιλαμβάνει τα «σκοτεινά φωτόνια» και άλλα σωμάτια. Τα σκοτεινά φωτόνια θα έχουν κάποια ασθενή σύζευξη με «κανονικά» φωτόνια. Στη νέα τους μελέτη, ο Terning και ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Christopher Verhaaren προσθέτουν μια παραλλαγή για την ιδέα: ένα σκοτεινό μαγνητικό «μονόπολο» που θα αλληλεπιδρά με το σκοτεινό φωτόνιο.

Στον μακροσκοπικό κόσμο, οι μαγνήτες πάντα έχουν δυο πόλους, τον βόρειο και το νότιο. Ένα μονόπολο είναι ένα σωμάτιο που δρα όπως το ένα άκρο ενός μαγνήτη. Τα μονόπολα προβλέπονται από την κβαντική θεωρία όμως δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ σε ένα πείραμα. Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι το σκοτεινό μονόπολο θα αλληλεπιδρά με τα σκοτεινά φωτόνια και τα σκοτεινά ηλεκτρόνια με τον ίδιο τρόπο που προβλέπει η θεωρία να αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια με τα μονόπολα.

Αυτό συνεπάγεται έναν τρόπο για να ανιχνευτούν αυτά τα σκοτεινά σωμάτια. Ο φυσικός Paul Dirac προέβλεψε ότι ένα ηλεκτρόνιο κινούμενο σε κύκλο κοντά σε ένα μονόπολο θα ανίχνευε μια αλλαγή φάσης στην κυματοσυνάρτησή του. Επειδή τα ηλεκτρόνια υπάρχουν τόσο ως σωμάτια όσο και ως κύματα στην κβαντική θεωρία, το ίδιο ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να περάσει εκατέρωθεν του μονοπόλου και ως αποτέλεσμα να είναι ελαφρώς εκτός φάσης στην άλλη μεριά. Αυτό το μοτίβο συμβολής, που ονομάζεται (κβαντικό) φαινόμενο Aharonov-Bohm, σημαίνει ότι ένα ηλεκτρόνιο περνώντας γύρω από ένα μαγνητικό πεδίο επηρεάζεται από αυτό, ακόμη και αν δεν περνάει μέσω του ίδιου του πεδίου.

Οι Terning και Verhaaren υποστηρίζουν ότι θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν ένα σκοτεινό μονόπολο λόγω του τρόπου που αλλάζει τη φάση των ηλεκτρονίων καθώς προσπερνούν. «Αυτός είναι ένας νέος τύπος σκοτεινής ύλης όμως συνοδεύεται επίσης από ένα νέο τρόπο για να τον αναζητήσεις», είπε ο Terning. Δέσμες ηλεκτρονίων είναι σχετικά εύκολο να το πετύχουν: Τα μικροσκόπια ηλεκτρονίων χρησιμοποιήθηκαν για να επιδείξουν το φαινόμενο Aharonov-Bohm στη δεκαετία του 1960 και η τεχνολογία της δέσμης ηλεκτρονίων έχει με το χρόνο βελτιωθεί, σημείωσε ο Terning.

Θεωρητικά, σωμάτια σκοτεινής ύλης ρέουν μέσα μας συνέχεια. Για να γίνουν ανιχνεύσιμα στο μοντέλο Terning και Verhaaren, τα μονόπολα θα πρέπει να διεγερθούν από τον ήλιο. Στη συνέχεια θα πάρει περίπου ένα μήνα για να φτάσουν στη Γη, ταξιδεύοντας περίπου στο ένα χιλιοστό της ταχύτητας του φωτός. Από την άλλη μεριά, η αλλαγή φάσης που προβλέπεται θα είναι εξαιρετικά μικρή – μικρότερη από ότι χρειάζεται για να ανιχνευθούν τα βαρυτικά κύματα, για παράδειγμα. Ωστόσο, ο Terning σημείωσε ότι όταν προτάθηκε για πρώτη φορά το πείραμα του βαρυτικού κύματος στα LIGO, η τεχνολογία για να το κάνει να λειτουργήσει δεν υπήρχε – αντίθετα, επιτεύχθηκε με το χρόνο.

Πηγή: University of California, Davis

Περισσότερα στη προδημοσίευση: Detecting Dark Matter with Aharonov-Bohm. ArXiv.org