O echipă de cercetători din SUA, cu un detector foarte sensibil pentru materie întunecată, tocmai a finalizat primul rând de teste. Nu a găsit nimic, dar aceasta este totuşi o ştire foarte importantă.
Fizicienii pot explica cu acurateţe comportamentul a ceea ce alcătuieşte materia obişnuită. Dar acest tip de materie constituie mai puţin de 5% din Univers. Restul este misterioasa "energie întunecată", despre care se afirmă că ar contribui la expansiunea accelerată a Universului şi "materia întunecată", care poate fi cauza modului în care galaxiile sunt structurate (materia ce alcătuieşte galaxia este "ţinută laolaltă").
La Laboratorul Subteran Sanford din Lead, în Dakota de Sud, fizicienii lucrând la experimentele Large Underground Xenon (LUX) nu au găsit nimic semnificativ, statistic vorbind, în datele culese pe o perioadă de mai mult de 100 de zile. "Nu am găsit absolut nici un eveniment compatibil cu vreun fel de materie întunecată", a spus un purtător de cuvânt al LUX.
Experimentul LUX foloseşte un cilindru umplut cu 368 kg de xenon lichid în principal, care este conţinut într-un rezervor cu 270.000 litri de apă. Este situat într-o mină la 1.500 metri sub pământ, în Dakota de Sud.
Teoria de frunte în domeniu este că materia întunecată poate fi alcătuită din WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) - particule masive cu interacţiune slabă. Aceste WIMPs interacţionează numai prin intermediul a două dintre cele patru forţe fundamentale - gravitaţia şi forţa nucleară slabă (care guvernează, printre altele, radioactivitatea).
Dacă o particulă WIMP s-ar ciocni cu nucleul unui atom de xenon, atunci el va emite ceva lumină. Setările LUX sunt atât de sensibile, încât detectoarele vor capta acea lumină. (Învelişul de apă are rolul de a nu permite altor radiaţii cosmice să declanşeze false semnale pozitive).
Experimentele cu ciocniri de particule pot fi comparate cu tragerea la ţintă cu puşca. Dacă natura a făcut ţinta suficient de mică nu o poţi lovi şi nu se observă nici un eveniment. Fizicienii măsoară secţiunea eficace a ţintelor lor în cm². De aceea rezultatele LUX sunt citate ca o măsurare a secţiunii eficace a particulelor de materie întunecată pentru nuclee ţintă de xenon.
Deşi fizicienii cred că materia întunecată este alcătuită din particule cu masa şi secţiunea eficace - de interacţiune cu nucleele - mică, noi avem numai o idee vagă despre masă şi nici o idee despre secţiunea eficace.
Rezultatele LUX spun efectiv că este mai greu să vezi o particulă de materie întunecată de 33GeV, o unitate de măsură a masei, decât să localizezi ceva de mărimea unui bob de mazăre aflat în centrul Căii Lactee. (Masa unui proton este de 0.938 GeV, iar LUX este cel mai sensibil în gama de la 20 până la 100 GeV).
Alte două experimente, unul folosind o ţintă din germaniu, au înregistrat un număr semnificativ de evenimente. Aceasta a condus la aşteptări de ordinul a peste o mie de evenimente în acest prim set de teste LUX ,cu detectorul lui mai sensibil (mai mare) cu xenon. Dar LUX le-a eliminat, ceea ce este adevărata lui realizare. A dat o lovitură câtorva dintre teoriile despre WIMPs, ceea ce permite cercetătorilor să se concentreze pe mai puţine piste.
Există scenarii referitoare la particule alternative de materie întunecată care ar putea rămâne nedectate de experimentul LUX, ca de exemplu axionii. Axionii sunt bosoni, o varietate diferită de cea prezisă de Peter Higgs, cu o masă mică şi o secţiune eficace foarte mică pentru cele două forţe nucleare. Se prezice că axionii se schimbă în şi din fotoni, în prezenţa unui câmp magnetic puternic şi această proprietate permite conceperea unor experimente capabile să-i detecteze.
Alte experimente de anvergură, precum LHC de la CERN şi IceCube de la Polul Sud se aşteaptă să cântărească mult în acest subiect în viitorul nu prea îndepărtat. Ambele au abordări destul de diferite.
Aşa cum spunea Ken Freeman, profesor la Australian Naţional University:
"În funcţie de natura materiei întunecate există o firavă speranţă că ar putea emite ceva radiaţii gama, detectabile atunci când particulele de materie întunecată se anihilează."
Această abordare este activ (şi pozitiv, spun unii) urmărită de Staţia Spaţială Internaţională.
Marc Davis, profesor invitat CAASTRO de la Universitatea Berkeley din California şi unul dintre câştigătorii premiului de cosmologie Gruber pentru simulările universului cu materie întunecată comentează:
"Există o îndelungată tradiţie în fizică a eforturilor de a atinge limite din ce în ce mai mici. Un exemplu recent este efortul de 15 ani de a măsura fluctuaţiile radiaţiei cosmice de fond. Experimentatorii de la LUX speră ca detectarea particulelor de materie întunecată să urmeze aceeaşi tradiţie, dar natura nu îşi dezvăluie întotdeauna secretele în funcţie de eforturile noastre."
Există scenarii alternative care evită atribuirea unei atât de mari influenţe energiei întunecate şi materiei întunecate. Unul este MoND (modified newtonian dynamics), o modificare a legii gravitaţiei a lui Newton, conform căreia forţa de gravitaţie este invers proporţională cu pătratul distanţei dintre corpurile între care se manifestă. Un argument fundamental al acestei legi este axioma că universul este înţeles în mod natural ca având trei dimensiuni spaţiale şi una temporală. Totuşi, existenţa a exact trei dimensiuni poate fi pusă la îndoială în teoria corzilor şi în alte teorii radicale.
Va fi necesar mult mai mult decât o primă rundă de teste LUX pentru a-i determina pe fizicieni să adopte MoND sau alte teorii neconvenţionale despre gravitaţie, chiar dacă teoriile curente au de înfruntat şi provocarea energiei întunecate. Sunt necesare experimente mai sensibile cu materie întunecată, cu o diversitate de ţinte, inclusiv un experiment în emisfera sudică.
Deşi particulele de materie întunecată au viteze aleatoare în sistemul de referinţă al Căii Lactee, în sistemul de referinţă terestru ele au o viteză medie de 220 km/sec opusă vitezei de rotaţie a Soarelui în planul galaxiei noastre.
Aceasta conduce la o semnătură care este diferită funcţie de latitudinea experimentului (sau a observatorului, dacă preferaţi), de data calendaristică din an şi de ora din zi. O suită completă de experimente reuşite va trebui să verifice predicţiile în ceea ce priveşte toate aceste aspecte.
Ca şi în cazul bosonului Higgs, determinarea masei exacte şi a naturii particulelor ar reprezenta cel mare premiu experimental şi un posibil premiu Nobel. Căutarea bosonului Higgs ne învaţă să avem răbdare cu aceste experimente foarte meticuloase şi, bineînţeles, să încercăm cu stăruinţă.
Traducere de Marian Stănică după dark-matter-experiment-finds-nothing-makes-news.
