Η αλήθεια για τη σκοτεινή ύλη – Ένας «κατοπτρικός κόσμος» στα όρια του Σύμπαντος

Δύο πρόσφατες μελέτες του καθηγητή Στέφανο Προφούμο στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Κρουζ, προτείνουν θεωρίες που προσπαθούν να απαντήσουν σε ένα από τα πιο θεμελιώδη ανοιχτά ερωτήματα της σύγχρονης φυσικής: Ποια είναι η σωματιδιακή φύση της σκοτεινής ύλης;

Η επιστήμη έχει παραγάγει συντριπτικά στοιχεία ότι η μυστηριώδης αυτή ουσία, που αντιστοιχεί στο 80% της ύλης στο σύμπαν, υπάρχει. Η παρουσία της σκοτεινής ύλης εξηγεί τι συγκρατεί τους γαλαξίες και τους κάνει να περιστρέφονται. Ευρήματα όπως η μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος και οι μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου αποδεικνύουν επίσης ότι κάτι αδιευκρίνιστο διαπερνά όλο αυτό το σκοτάδι.

Αυτό που παραμένει άγνωστο είναι η προέλευση της σκοτεινής ύλης και, κατ’ επέκταση, ποιες είναι οι σωματιδιακές της ιδιότητες. Αυτά τα βαρύνοντα ερωτήματα αφορούν κυρίως θεωρητικούς φυσικούς όπως ο Προφούμο. Και σε δύο πρόσφατες δημοσιεύσεις, προσεγγίζει αυτά τα ερωτήματα από διαφορετικές κατευθύνσεις, αλλά και οι δύο επικεντρώνονται στην ιδέα ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να προέκυψε φυσικά από τις συνθήκες του πολύ πρώιμου σύμπαντος – αντί να είναι κάποιο εξωτικό νέο σωματίδιο που αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη με ανιχνεύσιμο τρόπο.

Σκιώδεις προελεύσεις

Η πιο πρόσφατη μελέτη, που δημοσιεύθηκε στις 8 Ιουλίου στο Physical Review D, εξερευνά εάν η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να έχει σχηματιστεί σε έναν κρυμμένο τομέα — ένα είδος «κατοπτρικού κόσμου» με δικές του εκδοχές σωματιδίων και δυνάμεων. Ενώ εντελώς αόρατος στους ανθρώπους, αυτός ο σκιώδης τομέας θα υπάκουε σε πολλούς από τους ίδιους φυσικούς νόμους με το γνωστό σύμπαν.

Η ιδέα αντλεί έμπνευση από τη χρωμοδυναμική (QCD), τη θεωρία που περιγράφει πώς τα κουάρκ συνδέονται μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Το UC Santa Cruz έχει βαθιές ρίζες σε αυτόν τον τομέα: Ο ομότιμος καθηγητής φυσικής Μάικλ Ντάιν βοήθησε να πρωτοπορηθούν θεωρητικά μοντέλα που περιλαμβάνουν τον αξιόνιο QCD, έναν από τους κορυφαίους υποψήφιους για τη σκοτεινή ύλη, ενώ ο ερευνητικός καθηγητής Άμπε Σάιντεν συνέβαλε σε μεγάλες πειραματικές προσπάθειες διερεύνησης της δομής των αδρονίων — σωματίδια φτιαγμένα από κουάρκ — σε πειράματα υψηλής ενέργειας.

Στη νέα εργασία του Προφούμο, η ισχυρή δύναμη αναπαράγεται στον σκοτεινό τομέα ως μια δεσμευτική θεωρία «σκοτεινής QCD», με δικά της σωματίδια – σκοτεινά κουάρκ και σκοτεινά γκλουόνια – που συνδέονται για να σχηματίσουν βαριά σύνθετα σωματίδια γνωστά ως σκοτεινά βαρυόνια. Υπό ορισμένες συνθήκες στο πρώιμο σύμπαν, αυτά τα σκοτεινά βαρυόνια θα μπορούσαν να γίνουν τόσο πυκνά και μαζικά ώστε να καταρρεύσουν υπό τη δική τους βαρύτητα σε εξαιρετικά μικρές, σταθερές μαύρες τρύπες — ή αντικείμενα που συμπεριφέρονται πολύ σαν μαύρες τρύπες.

Αυτά τα κατάλοιπα τύπου μαύρης τρύπας θα ήταν μόνο μερικές φορές βαρύτερα από τη μάζα Πλανκ – τη θεμελιώδη κλίμακα μάζας της κβαντικής βαρύτητας – αλλά εάν παραχθούν στη σωστή ποσότητα, θα μπορούσαν να αντιστοιχούν σε όλη τη σκοτεινή ύλη που παρατηρείται σήμερα. Επειδή θα αλληλεπιδρούσαν μόνο μέσω της βαρύτητας, θα ήταν εντελώς αόρατα σε ανιχνευτές σωματιδίων – όμως η παρουσία τους θα διαμόρφωνε το σύμπαν σε μεγαλύτερες κλίμακες.

Αυτό το σενάριο προσφέρει ένα νέο, επαληθεύσιμο πλαίσιο βασισμένο σε καλά εδραιωμένη φυσική, ενώ επεκτείνει τη μακροχρόνια εξερεύνηση του UC Santa Cruz για το πώς βαθιές θεωρητικές αρχές μπορεί να βοηθήσουν στην εξήγηση ενός από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ερωτήματα στην κοσμολογία.

Στον ορίζοντα

Η άλλη πρόσφατη μελέτη του Προφούμο, που δημοσιεύθηκε τον Μάιο στο ίδιο περιοδικό, εξετάζει εάν η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να παραχθεί από τον διαστελλόμενο «κοσμικό ορίζοντα» του σύμπαντος — ουσιαστικά, το κοσμολογικό ισοδύναμο του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας.

Αυτό το άρθρο ρωτά, εάν το σύμπαν υπέστη μια σύντομη περίοδο επιταχυνόμενης διαστολής μετά τον πληθωρισμό — κάτι λιγότερο ακραίο από τον πληθωρισμό, αλλά εξακολουθεί να διαστέλλεται ταχύτερα απ’ ό,τι θα επέτρεπε η ακτινοβολία ή η ύλη — θα μπορούσε αυτή η φάση από μόνη της να έχει «εκπέμψει» σωματίδια στην ύπαρξη;

Χρησιμοποιώντας αρχές από τη θεωρία πεδίου σε καμπύλο χωροχρόνο, το άρθρο δείχνει ότι μια ευρεία κλίμακα μαζών σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να προκύψει από αυτόν τον μηχανισμό, ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη διάρκεια αυτής της φάσης.

Σημαντικό είναι ότι, όπως είπε ο Προφούμο, αυτό δεν απαιτεί καμία υπόθεση σχετικά με το πώς αλληλεπιδρά η σκοτεινή ύλη — μόνο ότι είναι σταθερή και παράγεται βαρυτικά. Η ιδέα εμπνέεται από τον τρόπο που οι παρατηρητές κοντά σε κοσμικούς ορίζοντες, όπως αυτοί μιας μαύρης τρύπας, αντιλαμβάνονται θερμική ακτινοβολία λόγω κβαντικών φαινομένων.

«Και οι δύο μηχανισμοί είναι εξαιρετικά υποθετικοί, αλλά προσφέρουν αυτάρκη και υπολογίσιμα σενάρια που δε βασίζονται σε συμβατικά μοντέλα σωματιδιακής σκοτεινής ύλης, τα οποία δέχονται όλο και μεγαλύτερη πίεση από τα μηδενικά πειραματικά αποτελέσματα», δήλωσε ο Προφούμο, ο οποίος είναι επίσης αναπληρωτής διευθυντής θεωρίας στο Ινστιτούτο Σωματιδιακής Φυσικής της Σάντα Κρουζ.