Φθηνοί επιταχυντές στο κυνήγι για σκοτεινές δυνάμεις

Σε σήραγγες κάτω από το Εργαστήριο Thomas Jefferson στη Βιρτζίνια, ένας επιταχυντής θέτει σε κίνηση μια ακτίνα ηλεκτρονίων γύρω από μια πίστα. Οι ενέργειές τους είναι μέτριες αλλά η δέσμη είναι πολύ πυκνή – γι ‘αυτό και χρειάζεται μια πολύ φωτεινή δέσμη για να ανιχνεύσει το λεγόμενο σκοτεινό φωτόνιο – ένα φωτόνιο που δεν λάμπει.

Τα λέιζερ ηλεκτρονίων στο Εργαστήριο Τόμας Τζέφερσον είναι μια χαμηλού κόστους λύση στην προσπάθεια των φυσικών να ανακαλύψουν ένα νέο πεδίο, των σκοτεινών δυνάμεων.

Σε τρεις εβδομάδες αναμένεται να αρχίσει ένα πείραμα όπου δέσμες ηλεκτρονίων θα πέσουν πάνω σε ένα λεπτό στόχο βολφραμίου 500 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο, δημιουργώντας έτσι έναν καταρράκτη βραχύβιων σωματιδίων. Μέσα από τα συντρίμμια, οι φυσικοί με τον...
ανιχνευτή Heavy Photon Search (HPS) ελπίζουν ότι θα βρουν ενδείξεις για κάτι εξαιρετικά σπάνιο: ένα «βαρύ» ή «σκοτεινό» φωτόνιο. Η ανακάλυψη αυτή θα ανοίξει την πόρτα σε έναν αόρατο κόσμο από σκοτεινές δυνάμεις και σκοτεινά άτομα, που οι θεωρητικοί από καιρό νομίζουν ότι υπάρχουν – ενώ θα μπορούσε να βοηθήσει ώστε να γίνει αντιληπτά η σκοτεινή ύλη, που πιστεύεται ότι αποτελεί το 85% της ύλης στο σύμπαν.

Οι ερευνητές στον HPS στο εργαστήριο Jefferson πιστεύουν ότι αυτό το πείραμα, όπως και άλλα δύο στο ίδιο εργαστήριο, που θα εξετάσει το σκοτεινό πεδίο, πιθανόν να καταφέρει κάτι ουσιαστικό. Το χαμηλού κόστους πείραμα – περίπου 3 εκατομμύρια δολάρια – ώθησε τους φυσικούς να προσπαθήσουν να απαντήσουν στο μεγάλο ερώτημα της φυσικής. Αν δηλαδή υπάρχουν περισσότερες θεμελιώδεις δυνάμεις από αυτές που ξέρουμε.

Τα σκοτεινά φωτόνια, σε αντίθεση με τα συμβατικά φωτόνια, θα έχουν μάζα και θα είναι ανιχνεύσιμα μόνο έμμεσα – αφού τα σκοτεινά φωτόνια διασπώνται σε ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. Ωστόσο, όπως και το γνωστό φωτόνιο, το οποίο μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, έτσι και το σκοτεινό φωτόνιο θα μπορούσε να μεταφέρει μια δύναμη – μια νέα θεμελιώδης δύναμη εκτός από τις τέσσερις που ήδη γνωρίζουμε. Θα είναι έτσι το πρώτο σημάδι ενός κρυμμένου τομέα, ο οποίος θα μπορούσε να περιλαμβάνει ένα ολόκληρο “ζωολογικό κήπο” από νέα σωματίδια, όπως η σκοτεινή ύλη. «Αν το βρούμε θα συγκρίνεται με την εποχή που ο Γαλιλαίος είδε τα φεγγάρια σε τροχιά γύρω του Δία», λέει ο Nima Arkani-Hamed, ένας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον, στο Νιου Τζέρσεϊ.

Οι θεωρητικοί ήλπιζαν ότι ο επιταχυντής LHC με την υψηλότερη ενέργεια στον κόσμο στο CERN, θα ανοίξει την πόρτα σε νέες έννοιες, όπως είναι η υπερσυμμετρία, μια σειρά από θεωρίες που θα λύσουν κάποια από τα προβλήματα του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής. Αλλά, μέχρι στιγμής, δεν έδωσαν καμιά ένδειξη για τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που προβλέπουν ορισμένα μοντέλα της υπερσυμμετρίας. «Τα μηδενικά αποτελέσματα δεν κάνουν τους ανθρώπους ευτυχισμένους», λέει ο Philip Schuster, ένας θεωρητικός στο Ινστιτούτο Perimeter του Καναδά. "Οι άνθρωποι αναρωτιούνται τι άλλες δυνατότητες μπορεί να υπάρχουν εκεί έξω."

Αντί των συγκρούσεων στον LHC μερικοί φυσικοί δημιουργούν αλλού πολλές συγκρούσεις και βλέπουν κάποια σπάνια γεγονότα στα συντρίμμια που δημιουργούνται. Οι δέσμες των ηλεκτρονίων για παράδειγμα στο εργαστήριο Jefferson δεν είναι πολύ ισχυρές, αλλά είναι εξαιρετικά πυκνές.

Η ιδέα για την ύπαρξη ενός σκοτεινού πεδίου προτάθηκε για πρώτη φορά το 1986, αλλά παρέμεινε σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητη μέχρι που μια ομάδα θεωρητικών, συμπεριλαμβανομένων και του Arkani-Hamed, ανέστησε τη θεωρία πριν από λίγα χρόνια (2009). Η ομάδα ανέστησε αυτή την ιδέα υπό το φως των αποτελεσμάτων από την αποστολή PAMELA του 2006, η οποία παρατήρησε ένα αινιγματικό πλεόνασμα ποζιτρονίων στο διάστημα. Οι θεωρητικοί πρότειναν τότε ότι θα μπορούσε το πλεόνασμα να το γεννήσουν σωματίδια της σκοτεινής ύλης στην μεταξύ τους εξαΰλωση. Αλλά τα βαριά σωματίδια WIMPs της σκοτεινής ύλης (που οι φυσικοί προτείνουν σαν τα σωματίδια της) θα πρέπει να διασπώνται σε πρωτόνια και αντιπρωτόνια, τα οποία όμως δεν τα είδε ο δορυφόρος Pamela.

Ένα όμως σωματίδιο σκοτεινής ύλης από το σκοτεινό τομέα – "ακόμα πιο σκοτεινή ύλη”, λέει περιπαικτικά ο Arkani-Hamed – θα φανεί μόνο μέσα από μια διάσπαση – που εμπλέκει το σκοτεινό φωτόνιο που μεταφέρει μια άγνωστη δύναμη – η οποία φτιάχνει ποζιτρόνια, κι όχι αντιπρωτόνια.

Ένα άλλο κίνητρο για την έρευνα του σκοτεινού τομέα προήλθε από έναν ενδιαφέρον αποτέλεσμα που αναφέρθηκε το 2004 από τους φυσικούς στο Εργαστήριο Brookhaven της Νέας Υόρκης. Βρήκαν λοιπόν ότι η μαγνητική ροπή που δημιουργείται από το σπιν και το φορτίο του μιονίου, ένα βραχύβιο σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο, δεν ταιριάζει με τις προβλέψεις του καθιερωμένου μοντέλου. Αυτή η ανωμαλία, που ονομάζεται μιόνιο g-2, θα μπορούσε να διορθωθεί μόνο από μια δύναμη σκοτεινού τομέα, λέει ο Arkani-Hamed. Και προσθέτει ότι η ιδέα δεν είναι τόσο τρελή όσο ακούγεται. "Το όλο θεωρητικό υπόβαθρο δεν είναι και τόσο τολμηρό”, υποστηρίζει.

Οι προβλέψεις αυτές μπορεί να ελεγχθούν φτηνά και σχετικά γρήγορα. Μια δέσμη ηλεκτρονίων 6 GeV στο εργαστήριο Jefferson έχει την σωστή ενέργεια για να εξετάσει το πιο πιθανό εύρος μάζας για ένα βαρύ φωτόνιο. Μετά από τρεις εβδομάδες δοκιμασίας στον επιταχυντή HPS το πείραμα θα κλείσει για μια αναβάθμιση που θα διπλασιάσει την ενέργεια της. Αυτό θα επιτρέψει να γίνει κι άλλο ένα πρότζεκτ το APEX, για να εξερευνηθούν και άλλα σημεία του σκοτεινού τομέα το 2015. Μια τρίτη πρόταση, που ονομάζεται DarkLight, πρόκειται να δει τα βαρέα φωτόνια χαμηλών ενεργειών.

Ο Arkani-Hamed υποστηρίζει ότι δεν θα εκπλαγεί εάν η μελλοντική πορεία της σωματιδιακής φυσικής προκύψει από μέτρια πειράματα όπως αυτά στο εργαστήριο Jefferson, και όχι στο CERN. "Θα μπορούσαν αυτά τα πολύ μικρότερα, ταχύτερα, φθηνότερα, υψηλής έντασης και χαμηλής ενέργειας πειράματα, στην πραγματικότητα να ξεθάψουν στοιχεία για μια νέα φυσική πριν από τα μεγάλα τέρατα (LHC)."

(από physics4u)