Η Σκοτεινή Ύλη δεν μπορεί να είναι πολύ βαριά αλλιώς θα μπορούσε να διαλύσει το καλύτερο μοντέλο μας για το Σύμπαν, σύμφωνα με νέα έρευνα.
Υπάρχει πληθώρα αποδείξεων ότι κάτι παράξενο συμβαίνει στο Σύμπαν. Τα αστέρια κινούνται σε τροχιά μέσα στους γαλαξίες πάρα πολύ γρήγορα, οι γαλαξίες κινούνται μέσα σε σμήνη πολύ γρήγορα, οι δομές μεγαλώνουν και εξελίσσονται πολύ γρήγορα. Αν υπολογίσουμε μόνο την ύλη που μπορούμε να δούμε, απλά δεν υπάρχει αρκετή βαρύτητα για να εξηγήσει όλες αυτές τις συμπεριφορές.
Η συντριπτική πλειοψηφία των Κοσμολόγων πιστεύει ότι όλα αυτά τα φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν μέσω της παρουσίας της Σκοτεινής Ύλης, μιας υποθετικής μορφής ύλης που έχει μεγάλη μάζα, είναι ηλεκτρικά ουδέτερη και αλληλεπιδρά ελάχιστα, ή καθόλου, με την κανονική ύλη. Αυτή η Σκοτεινή Ύλη αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του Σύμπαντος, ξεπερνώντας κατά πολύ την ποσότητα της φωτεινής ύλης.
Η ταυτότητα της Σκοτεινής Ύλης παραμένει ένα μυστήριο, καθώς τα πειράματα που έχουν σχεδιαστεί για την ανίχνευση μιας αδέσποτης, σπάνιας σύγκρουσης δεν έχουν βρει τίποτα. Αλλά αυτά τα πειράματα έχουν επικεντρωθεί στο να στοχεύουν σε ένα συγκεκριμένο εύρος μάζας: περίπου 10 έως 1.000 γίγα-ηλεκτρονιοβόλτ (GeV). (Ένα GeV ισοδυναμεί με 1 δισεκατομμύριο ηλεκτρονιοβόλτ.) Αυτό είναι το εύρος των βαρύτερων γνωστών σωματιδίων, όπως το μποζόνιο W και το top κουάρκ. Για δεκαετίες, οι θεωρητικοί ευνοούσαν αυτό το εύρος μάζας επειδή αρκετές απλές επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου της Σωματιδιακής Φυσικής προέβλεπαν την ύπαρξη τέτοιων σωματιδίων.
Επειδή όμως δεν έχουμε βρει τίποτα ακόμα, έχουμε αρχίσει να αναρωτιόμαστε αν η Σκοτεινή Ύλη μπορεί να είναι ελαφρύτερη ή βαρύτερη από ό,τι νομίζαμε. Αλλά η βαρύτερη Σκοτεινή Ύλη προσκρούει σε κάποια σοβαρά προβλήματα, σύμφωνα με μια νέα εργασία που δημοσιεύτηκε στη βάση arXiv.
Το πρόβλημα είναι ότι η Σκοτεινή Ύλη αλληλεπιδρά μερικές φορές με την κανονική ύλη, έστω και σπάνια. Αλλά στο πρώιμο Σύμπαν, όταν ήταν πολύ πιο θερμό και πυκνό, αυτές οι αλληλεπιδράσεις ήταν πολύ πιο συχνές. Τελικά, καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται, οι αλληλεπιδράσεις αυτές επιβραδύνθηκαν και στη συνέχεια σταμάτησαν, με αποτέλεσμα η Σκοτεινή Ύλη να «παγώσει» και να παραμείνει σιωπηλή στο παρασκήνιο.
Αν και υπάρχουν πολλά μοντέλα πιθανών υποψηφίων Σκοτεινής Ύλης, αρκετά από αυτά αλληλεπιδρούν με κανονικά σωματίδια μέσω ανταλλαγών που περιλαμβάνουν το μποζόνιο Higgs - ένα θεμελιώδες σωματίδιο που αλληλεπιδρά με σχεδόν όλα τα άλλα σωματίδια και, μέσω αυτών των αλληλεπιδράσεων, προσδίδει στα σωματίδια αυτά μάζα.
Γνωρίζουμε τη μάζα του μποζονίου Higgs: περίπου 125 GeV. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτή η μάζα θέτει ένα θεμελιώδες ανώτατο όριο στην πιθανή μάζα των περισσότερων υποψηφίων για Σκοτεινή Ύλη.
Το πρόβλημα είναι ότι όλες οι αλληλεπιδράσεις στη Φυσική είναι αμφίδρομες. Το Higgs «συνομιλεί» τόσο με τη σκοτεινή όσο και με την κανονική ύλη και, σε πολλά μοντέλα, μεσολαβεί στις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις. Αλλά και τα δύο είδη ύλης μιλούν επίσης στο Higgs. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις εμφανίζονται ως μικρές τροποποιήσεις στη μάζα του μποζονίου Higgs.
Για τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου, μπορούμε να υπολογίσουμε αυτές τις διορθώσεις και τις αλληλεπιδράσεις ανατροφοδότησης, και με τον τρόπο αυτό οι θεωρητικοί προέβλεψαν τη μάζα του μποζονίου Higgs πολύ πριν ανιχνευθεί.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αν το σωματίδιο της Σκοτεινής Ύλης είχε μάζα μεγαλύτερη από μερικές χιλιάδες GeV, η συμβολή του στη μάζα του Higgs θα ήταν απίστευτα σημαντική, απομακρύνοντάς την από την παρατηρούμενη τιμή της. Και επειδή το Higgs είναι τόσο κεντρικό για τον προσδιορισμό πολλών άλλων θεμελιωδών φυσικών φαινομένων, ουσιαστικά θα έκλεινε εντελώς τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων.
Ωστόσο, υπάρχουν δυνατότητες να παρακαμφθεί αυτός ο περιορισμός. Η Σκοτεινή Ύλη θα μπορούσε να μην αλληλεπιδράσει καθόλου με τα κανονικά σωματίδια, ή η αλληλεπίδραση θα μπορούσε να συμβεί μέσω κάποιου εξωτικού μηχανισμού που δεν περιλαμβάνει το Higgs. Αλλά αυτά τα μοντέλα είναι λίγα και σπάνια και απαιτούν πολύ λεπτομερή ρύθμιση και επιπλέον βήματα.
Ή θα μπορούσε να είναι ότι η Σκοτεινή Ύλη είναι ελαφρύτερη από ό,τι νομίζαμε. Αν δεν πιστεύουμε ότι η βαριά Σκοτεινή Ύλη είναι ένας βιώσιμος υποψήφιος, τότε καθώς συνεχίζουμε να μαθαίνουμε για αυτό το μυστηριώδες συστατικό του Σύμπαντος, μπορούμε αντ' αυτού να εστιάσουμε τις προσπάθειες προς την άλλη κατεύθυνση. Ήδη έχει υπάρξει ένα κύμα ενδιαφέροντος για τα αξιόνια, υπέρ-ελαφρά σωματίδια που προβλέπονται σε ορισμένα μοντέλα Σωματιδιακής Φυσικής και θα μπορούσαν να είναι ένας βιώσιμος υποψήφιος για Σκοτεινή Ύλη.
Από πειραματικής πλευράς, αν αυτό το αποτέλεσμα επιβεβαιωθεί και θεωρηθεί ένας ευρέως διαδεδομένος περιορισμός για τη μάζα των σωματιδίων της Σκοτεινής Ύλης, μπορούμε να βελτιώσουμε και να επανασχεδιάσουμε τα πειράματά μας ώστε να αναζητούμε σωματίδια χαμηλής μάζας, αντί για σωματίδια υψηλής μάζας.
[via]
