Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να είναι ένα κοσμικό κατάλοιπο από έξτρα διαστάσεις

Η σκοτεινή ύλη, η ασύλληπτη ουσία που αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του σύμπαντος, μπορεί να αποτελείται από τεράστια σωματίδια που ονομάζονται βαρυτόνια και πρωτοεμφανίστηκαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang). Αυτά τα υποθετικά σωματίδια μπορεί να είναι κοσμικά κατάλοιπα κάποιων έξτρα διαστάσεων, σύμφωνα με μια νέα μελέτη.

Στη μελέτη της που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Physical Review Letters», η διεθνής ομάδα ερευνητών από τη Γαλλία και τη Νότιο Κορέα υποστηρίζει ότι τα σωματίδια αυτά μπορεί να αποτελούν τη σκοτεινή ύλη, η οποία είναι «ορατή» μόνο μέσω της βαρυτικής έλξης που ασκεί στην ορατή ύλη.

Ωστόσο, αυτή η διαδικασία είναι πολύ σπάνια, δήλωσε στο Live Science ο συν-συγγραφέας της μελέτης Giacomo Cacciapaglia, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Λυών στη Γαλλία.

Τα βαρυτόνια, αν υπάρχουν, θα πρέπει να έχουν μάζα μικρότερη από 1 μεγαηλεκτρονιοβόλτ (MeV), δηλαδή όχι μεγαλύτερη από τη διπλάσια μάζα ενός ηλεκτρονίου, σύμφωνα με τους ερευνητές. Αυτή η μάζα είναι πολύ κάτω από την κλίμακα στην οποία το μποζόνιο Higgs παράγει μάζα για τη συνηθισμένη ύλη. Το ελαφρύτερο γνωστό σωματίδιο, το νετρίνο, ζυγίζει λιγότερο από 2 ηλεκτρονιοβόλτ, ενώ ένα πρωτόνιο ζυγίζει περίπου 940 MeV, σύμφωνα με το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας.

Η ομάδα βρήκε αυτά τα υποθετικά βαρυτόνια ενώ αναζητούσε ενδείξεις για έξτρα διαστάσεις, για τις οποίες ορισμένοι φυσικοί υποψιάζονται ότι υπάρχουν πέραν των τριών διαστάσεων του χώρου και του χρόνου που θεωρείται τέταρτη διάσταση.

Σύμφωνα με τη θεωρία της ερευνητικής ομάδας, όταν η βαρύτητα έρχεται σε επαφή με αυτές τις έξτρα διαστάσεις οι οποίες είναι αθέατες σε εμάς, παράγονται βαρυτόνια με αποτέλεσμα να συντηρείται η παρουσία της σκοτεινής ύλης. Αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν μόνο ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη, και μόνο μέσω της δύναμης της βαρύτητας. Τα ευρήματα της μελέτης επιβεβαιώνουν αυτά που γνωρίζουμε για τη σκοτεινή ύλη, η οποία δεν αλληλεπιδρά με το φως αλλά έχει μια βαρυτική επίδραση που γίνεται αισθητή παντού στο σύμπαν.

(Harikane et al., NASA, EST and P. Oesch/Yale)

«Το κύριο πλεονέκτημα των βαρυτονίων ως σωματίδια σκοτεινής ύλης είναι ότι αλληλεπιδρούν μόνο βαρυτικά, επομένως μπορούν να διαφύγουν από τις προσπάθειες ανίχνευσής τους», εξήγησε ο Cacciapaglia.

Το γεγονός ότι τα βαρυτόνια ελάχιστα αλληλεπιδρούν μέσω της βαρύτητας με τα άλλα σωματίδια και τις δυνάμεις του σύμπαντος τους δίνει ένα ακόμη πλεονέκτημα, λένε οι ερευνητές.

«Λόγω των πολύ ασθενών αλληλεπιδράσεών τους, τα βαρυτόνια διασπώνται τόσο αργά που παραμένουν σταθερά κατά τη διάρκεια της ζωής του σύμπαντος», δήλωσε ο Cacciapaglia, «Για τον ίδιο λόγο, παράγονται αργά κατά τη διάρκεια της διαστολής του σύμπαντος και συσσωρεύονται εκεί μέχρι σήμερα».

Στο παρελθόν, οι φυσικοί πίστευαν ότι τα βαρυτόνια δεν θα μπορούσαν να αποτελούν τη σκοτεινή ύλη, επειδή οι διαδικασίες που τα δημιουργούν είναι εξαιρετικά σπάνιες. Ως αποτέλεσμα, παράγονται με πολύ χαμηλότερους ρυθμούς από άλλα σωματίδια.

Η ομάδα διαπίστωσε ότι στο πικοδευτερόλεπτο (τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου) μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, δημιουργήθηκαν περισσότερα βαρυτόνια από ό,τι πρότειναν  προηγούμενες θεωρίες. Αυτό το συμπέρασμα εξηγεί πλήρως την ποσότητα της σκοτεινής ύλης που ανιχνεύουμε στο Σύμπαν, σύμφωνα με τη μελέτη.

«Έπρεπε να κάνουμε πολλές δοκιμές για να βεβαιωθούμε ότι το αποτέλεσμα ήταν σωστό, καθώς οδηγεί σε αλλαγή παραδείγματος στον τρόπο με τον οποίο εξετάζουμε τα βαρυτόνια ως πιθανούς υποψήφιους για τη σκοτεινή ύλη», δήλωσε ο Cacciapaglia.

Επειδή τα βαρυτόνια σχηματίζονται κάτω από την ενεργειακή κλίμακα του μποζονίου Higgs, είναι απαλλαγμένα από τις αβεβαιότητες που σχετίζονται με τις υψηλότερες ενεργειακές κλίμακες, τις οποίες η τρέχουσα σωματιδιακή φυσική δεν περιγράφει πολύ καλά.

Η θεωρία της ομάδας συνδέει τη φυσική που μελετάται σε επιταχυντές σωματιδίων, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Collider), με τη φυσική της βαρύτητας. Αυτό σημαίνει ότι ισχυροί επιταχυντές σωματιδίων, όπως ο μελλοντικός κυκλικός επιταχυντής στο CERN, ο οποίος θα πρέπει να αρχίσει να λειτουργεί το 2035, θα μπορούσαν να αναζητήσουν στοιχεία για αυτά τα πιθανά σωματίδια σκοτεινής ύλης.