Που είναι η σκοτεινή ύλη;

Υπόγειο πείραμα απέτυχε να την εντοπίσει.












Μια γιγάντια δεξαμενή κατεψυγμένου αερίου, κρυμμένη σε βάθος ενάμισι χιλιομέτρου μέσα σε ένα εγκαταλειμμένο χρυσωρυχείο, συγκεντρώνει εδώ και μήνες το ενδιαφέρον των φυσικών που αναζητούν τη χαμένη ύλη του Σύμπαντος. Όμως ο πρώτος γύρος του πειράματος έληξε χωρίς να ρίξει φως στο μυστήριο της σκοτεινής ύλης.

«Δεν καταγράψαμε κανένα συμβάν που σχετίζεται με οποιοδήποτε είδος σκοτεινής ύλης» ανακοίνωσε την Τετάρτη ο Ρικ Γκάιτσελ του Πανεπιστημίου Μπράουν, εκπρόσωπος του Μεγάλου Υπόγειου Ανιχνευτή Ξένου ή LUX.

Το LUX, μέχρι σήμερα ο πιο ευαίσθητος ανιχνευτής σκοτεινής ύλης, σχεδιάστηκε για την αναζήτηση υποθετικών σωματιδίων που ονομάζονται WIMP (ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια μεγάλης μάζας, σε ελεύθερη απόδοση), από τα οποία ενδέχεται να αποτελείται η λεγόμενη σκοτεινή ύλη.

Το μυστήριο της σκοτεινής ύλης χρονολογείται στη δεκαετία του 1930, όταν οι αστρονόμοι αντιλήφθηκαν ότι η μάζα και η βαρύτητα των σωμάτων που βλέπουμε στο Σύμπαν δεν είναι αρκετή για να εξηγηθεί η κίνηση των γαλαξιών.

Έκτοτε έχει υπολογιστεί ότι η κανονική ύλη -από τους πλανήτες και τα άστρα μέχρι τους γαλαξίες- δεν αντιστοιχεί παρά μόνο στο 16%  της ύλης στο Σύμπαν, ενώ το υπόλοιπο 84% αντιστοιχεί στη σκοτεινή ύλη.

Η σκοτεινή ύλη γίνεται αντιληπτή λόγω της βαρυτικής της επίδρασης στους γαλαξίες, οι επιστήμονες όμως δεν έχουν ιδέα από τι αποτελείται. Γνωρίζουν πάντως ότι δεν εκπέμπει, δεν ανακλά και δεν διαθλά την ακτινοβολία, γι' αυτό και είναι κυριολεκτικά αόρατη.

Τα σωματίδια
Ένα είδος υποθετικής ύλης που έχει προταθεί ως εξήγηση στο μυστήριο είναι τα σωματίδια WIMP, σωματίδια μεγάλης μάζας τα οποία δεν αλληλεπιδρούν με τα άτομα ούτε με τον ηλεκτρομαγνητισμό του φωτός και επομένως δεν είναι ορατά. Σύμφωνα με τη θεωρία, όμως, τα WIMP αλληλεπιδρούν μέσω της βαρύτητας και της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, η οποία ευθύνεται για ορισμένα είδη ραδιενέργειας.

Χάρη σε αυτές τις ιδιότητες, τα WIMP -εφόσον υπάρχουν- θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με τους πυρήνες των ατόμων ξένου μέσα τον ανιχνευτή LUX.

To μηχάνημα των τριών τόνων βρίσκεται στην Υπόγεια Ερευνητική Εγκατάσταση του Σάνφορντ, ένα παλιό ορυχείο χρυσού βάθους 2.300 μέτρων στο Μπλακ Χιλς της Νότιας Ντακότα, το οποίο μονώνει το σύστημα από την κοσμική ακτινοβολία. Στην καρδιά του συστήματος βρίσκεται ένα κάνιστρο με 370 κιλά υγροποιημένου αερίου ξένου.

Η ιδέα είναι ότι τα σωματίδια WIMP θα φτάνουν σε τέτοιο βάθος επειδή δεν αλληλεπιδρούν με την ύλη των υπερκείμενων βράχων. Όταν όμως συγκρούονται με άτομα ξένου προκαλούν τον ιονισμό τους και την εκπομπή αμυδρών φωτεινών λάμψεων, οι οποίες καταγράφονται με φωτοπολλαπλασιαστές.

Το πείραμα
Στον πρώτο γύρο του πειράματος, διάρκειας 85 ημερών, οι υπεύθυνοι του πειράματος περίμεναν να καταγράψουν περίπου 1.600 τέτοιες λάμψεις. Ανίχνευσαν όμως μόνο 160, οι οποίες αποδίδονται στη φυσική ραδιενέργεια των γύρω πετρωμάτων.

Τα αποτελέσματα, τα οποία παρουσιάστηκαν την Τετάρτη από ερευνητές του Στάνφορντ, δείχνουν τώρα να δικαιώνουν τους υπεύθυνους του XENON, ενός αντίστοιχου υπόγειου πειράματος στο Γκραν Σάσο της Ιταλίας, οι οποίοι είχαν ανακοινώσει ότι απέτυχαν να ανιχνεύσουν WIMP, κατηγορήθηκαν όμως ότι δεν είχαν καλιμπράρει σωστά τον ανιχνευτή.

Παρόλα αυτά, η θεωρία των WIMP δεν μπορεί να θεωρηθεί ακόμα νεκρή. Παραμένει ανοιχτό το ενδεχόμενο να υπήρχαν προβλήματα καλιμπραρίσματος στο LUX, όπως και το ενδεχόμενο να έχουν τα WIMP πολύ μικρότερη μάζα από ό,τι είχε εκτιμηθεί.

Οι ερευνητές του XENON σχεδιάζουν τώρα έναν πιο ευαίσθητο ανιχνευτή, ο οποίος θα περιέχει ένα τόνο ξένου, ενώ οι υπεύθυνοι του LUX θα συνεχίσουν να συλλέγουν δεδομένα για δύο χρόνια. Αργότερα ελπίζουν να εξασφαλίσουν χρηματοδότηση για έναν ανιχνευτή των επτά τόνων.

Μέχρι τότε η σκοτεινή ύλη πιθανότατα θα παραμείνει κρυμμένη στο σκοτάδι.