Η νέα θεωρία της «αόρατης σκοτεινής ύλης» μπορεί να εξηγήσει το μυστήριο της ελλείπουσας μάζας του σύμπαντος

Επιστήμονες από το Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) επινόησαν μια νέα θεωρία που μπορεί να εντοπίσει γιατί η σκοτεινή ύλη έχει διαφύγει την άμεση ανίχνευση σε πειράματα πάνω στη Γη.

Μια ομάδα σωματιδιακών φυσικών, γνωστή ως Lattice Strong Dynamics Collaboration, με επικεφαλής ομάδα από το LLNL, συνδύασε τεχνικές θεωρητικής και υπολογιστικής Φυσικής και χρησιμοποίησε τον υπερυπολογιστή Vulcan του Εργαστηρίου για να επινοήσει ένα νέο μοντέλο της σκοτεινής ύλης. Το προσδιορίζει ως φυσικά αόρατη («stealthy», που όπως το συνονόματό του αεροσκάφος, είναι δύσκολο να ανιχνευθεί) σήμερα, αλλά θα μπορούσε να είναι εύκολο να φανεί μέσω των αλληλεπιδράσεων με τη συνηθισμένη ύλη στις εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας συνθήκες πλάσματος που υπήρχαν στο πρώιμο σύμπαν.

«Αυτές οι αλληλεπιδράσεις στο πρώιμο σύμπαν ήταν σημαντικές, επειδή η αφθονίες της συνηθισμένης και της σκοτεινής ύλης σήμερα, ήταν εντυπωσιακά παρόμοιες σε μέγεθος, υποδηλώνοντας ότι αυτό συνέβη λόγω μιας δράσης εξισορρόπησης που δρούσε μεταξύ των δύο, πριν ψυχθεί το σύμπαν», είπε ο Παύλος Βρανάς του LLNL και ένας από τους συντάκτες του δημοσιεύματος, με το ποίο παρουσιάζεται η εργασία της ομάδας.

Η σκοτεινή ύλη αποτελεί το 83% όλης της ύλης στο σύμπαν και δεν αλληλεπιδρά άμεσα με ηλεκτρομαγνητικές ή ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις. Ουσιαστικά αόρατη, χαρακτηρίζεται ως σκοτεινή ύλη, αλλά οι αλληλεπιδράσεις της με τη βαρύτητα παράγουν εντυπωσιακά αποτελέσματα σχετικά με την κίνηση των γαλαξιών και των γαλαξιακών σμηνών, αφήνοντας μικρές αμφιβολίες για την ύπαρξή της.

Το κλειδί για τη διχασμένη προσωπικότητα της αόρατης σκοτεινής ύλης είναι η σύνθεσή της. Όπως τα quarks που συνθέτουν σε ένα νετρόνιο: Στις υψηλές θερμοκρασίες, αυτά τα ηλεκτρικά φορτισμένα συστατικά, αλληλεπιδρούν σχεδόν με τα πάντα. Αλλά στις χαμηλότερες θερμοκρασίες συνδέονται μαζί για να σχηματίσουν ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σύνθετο σωματίδιο. Αντίθετα από ένα νετρόνιο, το οποίο συντίθεται από τη συνήθη ισχυρή αλληλεπίδραση της κβαντικής χρωμοδυναμικής (QCD), το «αόρατο» νετρόνιο θα πρέπει να συντίθεται από μια νέα και μη-παρατηρήσημη, ακόμα, ισχυρή αλληλεπίδραση, μια σκοτεινή μορφή της QCD.

«Είναι αξιοσημείωτο ότι ένα υποψήφιο σωμάτιο σκοτεινής ύλης, μόλις μερικές εκατοντάδες φορές βαρύτερο από το πρωτόνιο, θα μπορούσε να είναι μια σύνθεση ηλεκτρικά φορτισμένων συστατικών που όμως έχουν διαφύγει, μέχρι τώρα, την άμεση ανίχνευση», δήλωσε ο Βρανάς.

Παρόμοια με τα πρωτόνια, η αόρατη σκοτεινή ύλη είναι σταθερή και δεν διασπάται σε κοσμικούς χρόνους. Ωστόσο, όπως η QCD, παράγει ένα μεγάλο αριθμό από άλλα πυρηνικά σωμάτια που διασπώνται αμέσως μετά τη δημιουργία τους. Αυτά τα σωμάτια μπορούν να έχουν ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο, αλλά θα μπορούσαν να έχουν διασπαστεί μακράν πριν από πολύ καιρό. Σε ένα επιταχυντή (συγκρουστήρα) σωματιδίων με αρκετά υψηλή ενέργεια (όπως ο Large Hadron Collider-LHC-στο CERN), τα σωμάτια αυτά μπορούν να παραχθούν πάλι για πρώτη φορά από τις απαρχές του σύμπαντος. Θα μπορούσαν να δημιουργήσουν μοναδικές «υπογραφές» στους ανιχνευτές σωματιδίων, επειδή θα μπορούσε να είναι ηλεκτρικά φορτισμένα.

«Πειράματα υπόγεια άμεσης ανίχνευσης ή πειράματα στον LHC μπορεί να βρουν σύντομα αποδεικτικά στοιχεία για (ή να διαψεύσουν) αυτή τη νέα θεωρία της αόρατης σκοτεινής ύλης», δήλωσε ο Βρανάς.

Πηγή: Lawrence Livermore National Laboratory

Περισσότερα στην εργασία: Direct Detection of Stealth Dark Matter through Electromagnetic Polarizability, arXiv:1503.04205