Σήμα από τα βάθη της Γης: Μήπως οι επιστήμονες «άγγιξαν» για πρώτη φορά τη σκοτεινή ύλη;

Ένα αχνό σήμα που καταγράφηκε 1,6 χιλιόμετρα κάτω από τη Γη μπορεί να αποτελεί το σημαντικότερο ίχνος μέχρι σήμερα στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης, ενός από τα μεγαλύτερα μυστήρια του Σύμπαντος.

Οι ερευνητές μιλούν για μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα ένδειξη, αλλά αποφεύγουν προς το παρόν να χρησιμοποιήσουν τη λέξη «ανακάλυψη».

Ένα «χτύπημα» μέσα σε 10 τόνους υγρού ξένου

Η μυστηριώδης αλληλεπίδραση καταγράφηκε στις Υπόγειες Ερευνητικές Εγκαταστάσεις Sanford στη Νότια Ντακότα, μέσα σε ένα πρώην χρυσωρυχείο.

Εκεί βρίσκεται ο LUX-ZEPLIN (LZ), ένας από τους πλέον ευαίσθητους ανιχνευτές που έχουν κατασκευαστεί για να αναζητούν τη σκοτεινή ύλη.

Η συσκευή περιέχει 10 τόνους υγρού ξένου και έχει σχεδιαστεί ώστε να εντοπίζει τις απειροελάχιστες ενδείξεις που θα άφηνε μια πιθανή σύγκρουση ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης με ένα άτομο ξένου.

Η λογική του πειράματος είναι απλή στη σύλληψη αλλά εξαιρετικά δύσκολη στην πράξη: αν ένα υποθετικό σωματίδιο σκοτεινής ύλης χτυπήσει έναν πυρήνα ξένου, μπορεί να μεταφέρει ελάχιστη ποσότητα ενέργειας και να προκαλέσει μια σχεδόν ανεπαίσθητη λάμψη. Αυτή τη λάμψη προσπαθούν να καταγράψουν οι ανιχνευτές.

Το σωματίδιο-φάντασμα που μπορεί να κρύβεται πίσω από το σήμα

Το σήμα παρουσιάζει χαρακτηριστικά που θα μπορούσαν να είναι συμβατά με ένα WIMP, τα υποθετικά «βαριά σωματίδια με ασθενή αλληλεπίδραση» που αποτελούν έναν από τους βασικούς υποψήφιους για τη σκοτεινή ύλη.

Σύμφωνα με την ερμηνεία που εξετάζουν οι ερευνητές, ένα τέτοιο σωματίδιο ενδέχεται να συγκρούστηκε με τον πυρήνα ενός ατόμου ξένου.

Η σύγκρουση θα προκαλούσε μια μικροσκοπική λάμψη υπεριώδους φωτός, ενώ ο πυρήνας του ατόμου θα «τιναζόταν» προς τα εμπρός. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται πυρηνική ανάκρουση.

Και εδώ βρίσκεται το εντυπωσιακό στοιχείο: οι ερευνητές κατέγραψαν πράγματι ένα τέτοιο γεγονός.

Το μεγάλο πρόβλημα: Συνέβη μόνο μία φορά

Παρά τον ενθουσιασμό, υπάρχει ένας τεράστιος αστερίσκος. Μέχρι στιγμής έχει καταγραφεί μόνο ένα τέτοιο γεγονός. Αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες δεν μπορούν ακόμη να πουν πως ανίχνευσαν σκοτεινή ύλη. Το αποτέλεσμα δεν έχει φτάσει το απαιτούμενο στατιστικό επίπεδο για να χαρακτηριστεί επιστημονική ανακάλυψη.

Ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Σαμ Έρικσεν, ήταν ξεκάθαρος: το εύρημα θα μπορούσε να αποτελεί την πρώτη ένδειξη παρατήρησης σκοτεινής ύλης, όμως οι ερευνητές πρέπει πρώτα να αποκλείσουν άλλες πιθανές εξηγήσεις.

Η Αλβάιν Καμάχα, αστροφυσικός στο UCLA και συν-συγγραφέας της μελέτης, προειδοποίησε επίσης ότι, όσο συναρπαστικό κι αν είναι το αποτέλεσμα, απαιτείται εξαιρετικά αυστηρός έλεγχος πριν εξαχθεί οποιοδήποτε οριστικό συμπέρασμα.

Τι είναι τελικά η σκοτεινή ύλη;

Εδώ βρίσκεται ένα από τα μεγαλύτερα παράδοξα της σύγχρονης κοσμολογίας. Οι επιστήμονες δεν μπορούν να δουν τη σκοτεινή ύλη. Δεν εκπέμπει ούτε αντανακλά φως και επομένως δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα με τα τηλεσκόπια. Κι όμως, θεωρούν ότι υπάρχει. Ο λόγος είναι η βαρύτητα.

Όταν οι αστρονόμοι μελετούν γαλαξίες και γαλαξιακά σμήνη, διαπιστώνουν ότι η συμπεριφορά τους υποδεικνύει την παρουσία πολύ μεγαλύτερης ποσότητας ύλης από αυτή που μπορούν να δουν.

Με άλλα λόγια, οι επιστήμονες δεν βλέπουν τη σκοτεινή ύλη, αλλά βλέπουν το αποτύπωμά της στο Σύμπαν.

Η «κοσμική κόλλα» των γαλαξιών

Η σκοτεινή ύλη έχει χαρακτηριστεί ως μια μορφή «κοσμικής κόλλας».

Η βαρύτητά της θεωρείται ότι έπαιξε καθοριστικό ρόλο στον σχηματισμό και στην εξέλιξη των γαλαξιών. Χωρίς αυτήν, το Σύμπαν πιθανότατα θα είχε εξελιχθεί με πολύ διαφορετικό τρόπο.

Και το μέγεθος του μυστηρίου γίνεται ακόμη πιο εντυπωσιακό όταν οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η συνηθισμένη ύλη – τα άστρα, οι πλανήτες, οι άνθρωποι και όλα όσα βλέπουμε – αντιστοιχεί μόλις περίπου στο 15% της συνολικής ύλης του Σύμπαντος. Το υπόλοιπο θεωρείται ότι είναι σκοτεινή ύλη.

Εκατομμύρια σωματίδια μπορεί να περνούν από μέσα μας

Το πιο παράξενο ίσως είναι ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να βρίσκεται κυριολεκτικά παντού γύρω μας.

Οι επιστήμονες θεωρούν πιθανό να περνούν εκατομμύρια σωματίδια σκοτεινής ύλης μέσα από το ανθρώπινο σώμα κάθε δευτερόλεπτο, χωρίς σχεδόν κανένα από αυτά να αλληλεπιδρά με τα άτομα του σώματός μας.

Ακριβώς επειδή οι αλληλεπιδράσεις είναι τόσο σπάνιες, ο LZ έχει τοποθετηθεί βαθιά κάτω από τη Γη.

Γιατί 1,6 χιλιόμετρο κάτω από την επιφάνεια;

Το βάθος δεν είναι τυχαίο. Πάνω από τον ανιχνευτή βρίσκονται τεράστιες ποσότητες πετρώματος, οι οποίες λειτουργούν ως φυσική ασπίδα απέναντι στις κοσμικές ακτίνες και σε άλλες μορφές «θορύβου» που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ψευδή σήματα.

Ο στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα όσο το δυνατόν πιο «ήσυχο» περιβάλλον, ώστε όταν εμφανιστεί μια ασυνήθιστη λάμψη μέσα στο ξένον, οι επιστήμονες να μπορούν να εξετάσουν αν προέρχεται από το σωματίδιο που αναζητούν.

Το ξένον γίνεται ο «στόχος»

Το ξένον είναι ευγενές αέριο με ατομικό αριθμό 54. Στο LZ χρησιμοποιείται σε υγρή μορφή και σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία.

Οι ιδιότητές του το καθιστούν ιδανικό για την ανίχνευση των απειροελάχιστων ποσοτήτων ενέργειας που μπορεί να μεταφερθούν σε έναν πυρήνα κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης.

Ουσιαστικά, οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει έναν τεράστιο «στόχο» και περιμένουν να δουν αν κάποιο από τα υποθετικά σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα χτυπήσει πάνω του.

Το σήμα που μπορεί να αλλάξει τη Φυσική

Αν η συγκεκριμένη ανίχνευση επιβεβαιωθεί από νέα δεδομένα, οι συνέπειες θα είναι τεράστιες.

Θα ήταν η πρώτη άμεση ένδειξη ενός σωματιδίου που θα μπορούσε να αποτελεί τη σκοτεινή ύλη, ανοίγοντας ένα εντελώς νέο κεφάλαιο στη σωματιδιακή φυσική και στην κατανόηση του Σύμπαντος.

Αντίθετα, αν αποδειχθεί ότι το σήμα προέρχεται από κάποιο άγνωστο μέχρι σήμερα υπόβαθρο, οι επιστήμονες θα έχουν και πάλι αποκτήσει πολύτιμη γνώση για τα όρια των πειραμάτων τους.

Γι' αυτό και η συγκεκριμένη ανίχνευση είναι σημαντική ακόμη κι αν τελικά δεν είναι σκοτεινή ύλη.

Η απάντηση μπορεί να έρθει τα επόμενα χρόνια

Ο LUX-ZEPLIN θα συνεχίσει να συλλέγει δεδομένα, ενώ άλλοι μεγάλοι ανιχνευτές σκοτεινής ύλης, όπως τα πειράματα XENON στην Ιταλία και PandaX στην Κίνα, μπορούν να αναζητήσουν αντίστοιχα σήματα.

Οι επιστήμονες θα χρειαστούν περισσότερα γεγονότα για να διαπιστώσουν αν αυτό που είδαν ήταν η πολυαναμενόμενη «υπογραφή» της σκοτεινής ύλης ή απλώς ένα εξαιρετικά σπάνιο φαινόμενο που μιμήθηκε το σήμα της.

Προς το παρόν, λοιπόν, η σκοτεινή ύλη παραμένει αόρατη. Αλλά, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες έχουν στα χέρια τους ένα σήμα που τους κάνει να αναρωτιούνται αν ίσως μόλις βρέθηκαν ένα βήμα πιο κοντά στο να την «αγγίξουν».

Πηγή: ABC, Brookhaven National Laboratory, University of Sheffield, Science News