Επιστημονική ανακάλυψη: Πιθανό ίχνος σκοτεινής ύλης εντοπίστηκε βαθιά κάτω από τη Γη

Οι επιστήμονες έκαναν ένα πιθανό σημαντικό βήμα στην προσπάθεια να εντοπίσουν τη σκοτεινή ύλη, καταγράφοντας ενδείξεις της κατά τη διάρκεια ενός πειράματος που πραγματοποιείται περίπου 1,6 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια της Γης, στη Νότια Ντακότα των ΗΠΑ.

Οι ερευνητές, ωστόσο, απέφυγαν να κάνουν λόγο για οριστική ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, ενός από τα μεγαλύτερα άλυτα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής.

Η ομάδα περιέγραψε μια αλληλεπίδραση σωματιδίων που καταγράφηκε στην Εγκατάσταση Υπόγειας Έρευνας Sanford, η οποία έχει κατασκευαστεί σε ένα πρώην χρυσωρυχείο στην περιοχή Black Hills της Νότιας Ντακότα.

Η αλληλεπίδραση ενδέχεται να αφορούσε ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται WIMP, από τα αρχικά των λέξεων «weakly interacting massive particle», δηλαδή «βαρύ σωματίδιο με ασθενή αλληλεπίδραση».

Τα WIMPs αποτελούν μία από τις βασικές υποψήφιες κατηγορίες σωματιδίων που θα μπορούσαν να αποτελούν τη σκοτεινή ύλη.

Ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του Σύμπαντος
Η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από τα αστέρια, τους πλανήτες, τα έμβια όντα και όλα όσα μπορούμε να παρατηρήσουμε γύρω μας.
Ωστόσο, αντιστοιχεί μόλις περίπου στο 15% της συνολικής ύλης του Σύμπαντος.

Το υπόλοιπο θεωρείται ότι αποτελείται από σκοτεινή ύλη, η οποία δεν εκπέμπει ούτε ανακλά φως.Για τον λόγο αυτό δεν είναι ορατή ούτε με γυμνό μάτι ούτε με τηλεσκόπια.

Οι επιστήμονες, όμως, θεωρούν ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει με μεγάλη βεβαιότητα, επειδή μπορούν να παρατηρήσουν τις βαρυτικές επιδράσεις της σε γαλαξιακή κλίμακα.

Ο Σαμ Έρικσεν, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στην Αγγλία και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε ότι το εύρημα «θα μπορούσε να είναι η πρώτη ένδειξη παρατήρησης σκοτεινής ύλης».

Το πείραμα 1,6 χιλιόμετρα κάτω από τη Γη
Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αλληλεπιδρά εξαιρετικά σπάνια με τη συνηθισμένη ύλη.

Το πείραμα LUX-ZEPLIN, γνωστό ως LZ, στο πλαίσιο του οποίου καταγράφηκε το επίμαχο σήμα, έχει σχεδιαστεί ακριβώς για την ανίχνευση τέτοιων αλληλεπιδράσεων και είναι ειδικά προσαρμοσμένο στην αναζήτηση WIMPs.

Το πείραμα χρησιμοποιεί 10 τόνους του χημικού στοιχείου ξένον, σε υγρή μορφή, μέσα σε έναν μεγάλο κυλινδρικό ανιχνευτή.
Η εγκατάσταση λειτουργεί υπό τη διαχείριση του Lawrence Berkeley National Laboratory του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας.

Οι επιστήμονες αναζητούν περιπτώσεις στις οποίες σωματίδια σκοτεινής ύλης συγκρούονται με άτομα ξένου.

Όταν ένα σωματίδιο προσκρούει σε ένα άτομο, μπορεί να προκαλέσει μια μικροσκοπική λάμψη φωτός. Τα χαρακτηριστικά αυτής της λάμψης μπορούν να αποκαλύψουν στους ερευνητές τι είδους σωματίδιο αλληλεπίδρασε με το ξένο.

Τι είναι το ξένον;
Το ξένον (Xe) είναι ένα χημικό στοιχείο και ευγενές αέριο, με ατομικό αριθμό 54. Είναι άχρωμο, άοσμο και χημικά ιδιαίτερα αδρανές, δηλαδή αντιδρά ελάχιστα με άλλα στοιχεία.

Στο πείραμα LZ χρησιμοποιείται σε υγρή μορφή, σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία, επειδή οι ιδιότητές του επιτρέπουν στους επιστήμονες να εντοπίζουν πολύ μικρές ποσότητες ενέργειας που μεταφέρονται όταν ένα σωματίδιο συγκρουστεί με τον πυρήνα ενός ατόμου ξένου.

Μια τέτοια σύγκρουση μπορεί να προκαλέσει μια εξαιρετικά αμυδρή λάμψη φωτός, την οποία οι ανιχνευτές του πειράματος μπορούν να καταγράψουν.

Έτσι, το ξένον λειτουργεί ουσιαστικά ως «στόχος» για τα υποθετικά σωματίδια της σκοτεινής ύλης.

Η μυστηριώδης σύγκρουση
Σε ανακοίνωση που έγινε την Τρίτη σε επιστημονικό συνέδριο στην Ιαπωνία και παρουσιάζεται σε μελέτη που υποβλήθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, οι ερευνητές περιέγραψαν την ανίχνευση μιας αλληλεπίδρασης ανάμεσα σε ένα άτομο ξένου και ένα άλλο σωματίδιο.

Η συμπεριφορά της αλληλεπίδρασης έμοιαζε με αυτή που οι επιστήμονες θα περίμεναν από ένα WIMP.

Σύμφωνα με την ερμηνεία που εξετάζουν, ένα WIMP μπορεί να συγκρούστηκε με τον πυρήνα ενός ατόμου ξένου, μεταφέροντάς του μια πολύ μικρή ποσότητα ενέργειας.
Η σύγκρουση προκάλεσε μια αμυδρή λάμψη υπεριώδους φωτός, η οποία καταγράφηκε από το πείραμα.

Παράλληλα, η πρόσκρουση προκάλεσε την απότομη κίνηση του πυρήνα του ατόμου ξένου προς τα εμπρός, ένα φαινόμενο που οι φυσικοί αποκαλούν «πυρηνική ανάκρουση» (nuclear recoil).

«Μόλις ένα γεγονός»
Υπάρχει, ωστόσο, ένας πολύ σημαντικός λόγος για τον οποίο οι ερευνητές παραμένουν ιδιαίτερα προσεκτικοί.

Μέχρι στιγμής έχει καταγραφεί μόνο ένα τέτοιο γεγονός.

Παρότι η αλληλεπίδραση συμπεριφέρθηκε με τρόπο συμβατό με αυτόν που θα περίμεναν οι επιστήμονες από ένα WIMP, το αποτέλεσμα δεν έχει ακόμη φτάσει το απαιτούμενο στατιστικό όριο ώστε να μπορεί να θεωρηθεί επιστημονική ανακάλυψη σκοτεινής ύλης.

«Το σημαντικό είναι ότι πρόκειται για ένα μόνο γεγονός και, επομένως, δεν ισχυριζόμαστε ότι πρόκειται για σκοτεινή ύλη», δήλωσε ο Έρικσεν.
Οι ερευνητές προσπαθούν τώρα να αποκλείσουν άλλες πιθανές εξηγήσεις για το σήμα.

«Μπορεί να εξετάζουμε κάτι εξαιρετικό, αλλά πρέπει να είμαστε εξαιρετικά αυστηροί προτού καταλήξουμε σε αυτό το συμπέρασμα», δήλωσε η Αλβάιν Καμάχα, αστροφυσικός στο UCLA και συν-συγγραφέας της μελέτης.

Εκατομμύρια σωματίδια μπορεί να περνούν από το σώμα μας
Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη ποια ακριβώς είναι η φύση της σκοτεινής ύλης.
Αντίστοιχη αβεβαιότητα υπάρχει και για τη σκοτεινή ενέργεια, τη μυστηριώδη δύναμη που συνδέεται με την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος.

«Θα μπορούσαν να περνούν εκατομμύρια σωματίδια σκοτεινής ύλης μέσα από το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο και, παρ' όλα αυτά, σχεδόν κανένα από αυτά να μην αλληλεπιδράσει ποτέ με ένα άτομο στο σώμα μας», εξήγησε η Καμάχα.

Μία από τις σημαντικότερες θεωρίες υποστηρίζει ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από έναν τύπο σωματιδίων που δημιουργήθηκαν στο πρώιμο Σύμπαν και εξακολουθούν να υπάρχουν μέχρι σήμερα.

Η «κοσμική κόλλα» που συγκρατεί τους γαλαξίες
Οι ενδείξεις για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης προέρχονται κυρίως από τη συμπεριφορά των γαλαξιών και των γαλαξιακών σμηνών.

«Όταν παρατηρούμε γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών, βλέπουμε ότι συμπεριφέρονται σαν να περιέχουν πολύ μεγαλύτερη μάζα από αυτή που μπορούμε να δούμε.

Επομένως, αν και δεν μπορούμε να δούμε τη σκοτεινή ύλη, μπορούμε να παρατηρήσουμε τι προκαλεί η βαρύτητά της», ανέφερε η Καμάχα.

Η ίδια χρησιμοποίησε έναν χαρακτηριστικό παραλληλισμό, περιγράφοντας τη σκοτεινή ύλη ως «την κοσμική κόλλα» που βοήθησε στον σχηματισμό γαλαξιών όπως ο δικός μας, ο Γαλαξίας.

Χωρίς τη σκοτεινή ύλη, το Σύμπαν θα είχε εξελιχθεί με πολύ διαφορετικό τρόπο και οι δομές που τελικά οδήγησαν στον σχηματισμό του ηλιακού μας συστήματος ενδέχεται να μην είχαν δημιουργηθεί με τον ίδιο τρόπο.

Πώς αναζητούν οι επιστήμονες τη σκοτεινή ύλη
Η αναζήτηση της σκοτεινής ύλης πραγματοποιείται με διαφορετικές μεθόδους.

Οι επιστήμονες μελετούν τις βαρυτικές επιδράσεις της στους γαλαξίες και στο Σύμπαν, προσπαθούν να δημιουργήσουν σωματίδια σκοτεινής ύλης σε επιταχυντές σωματιδίων και πραγματοποιούν πειράματα άμεσης ανίχνευσης.

Σε αυτή την τελευταία κατηγορία ανήκει το LZ, το οποίο βρίσκεται βαθιά κάτω από τη Γη.

Το μεγάλο βάθος λειτουργεί ως φυσική ασπίδα, περιορίζοντας την επίδραση των κοσμικών ακτίνων και άλλων πηγών «θορύβου» που θα μπορούσαν να μιμηθούν ένα σήμα σκοτεινής ύλης.

Στόχος είναι να καταγραφεί εκείνη η εξαιρετικά σπάνια στιγμή κατά την οποία ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης θα αλληλεπιδράσει με τη συνηθισμένη ύλη.

Το τελευταίο εύρημα μπορεί να αποτελεί ένα τέτοιο σήμα.
Προς το παρόν, όμως, οι επιστήμονες κρατούν χαμηλούς τόνους, καθώς ένα και μόνο γεγονός δεν αρκεί για να αποδειχθεί ότι η σκοτεινή ύλη έχει πράγματι ανιχνευθεί.

Πηγή: skai.gr