Materia intunecataNu mult după ce fizicienii ce desfăşoară experimente la Marele Accelerator de Hadroni de la laboratorul CERN au descoperit bosonul Higgs, directorul general al acestuia, Rolf Heuer, a fost întrebat: "Şi acum ce urmează"? Una dintre priorităţile de vârf pe care le-a numit a fost: să ne dăm seama ce este materia întunecată.

 

 

Raportul dintre materia întunecată şi materia obişnuită este de cinci la unu. Se pare că există în mănunchiuri în Univers, formând ca un fel de structură de rezistenţă pe care materia vizibilă se adună, alcătuind galaxiile. Natura materiei întunecate este necunoscută, dar fizicienii sugerează că este alcătuită din particule, precum materia vizibilă.

Materia întunecată apare periodic în media, deseori atunci când un experiment descoperă o posibilă urmă a ei. Dar, de fapt, încă aşteptăm acel moment declanşator al câştigării unui premiu Nobel, când oamenii de ştiinţă vor şti că, în sfârşit, au pus mâna pe ea.

Iată patru fapte care să vă trezească interesul asupra unuia dintre cele mai incitante subiecte din fizica particulelor:


1. Am descoperit deja materia întunecată

Descoperitorii materiei intunecate
Credit imagine: Sandbox Studio, Chicago

Câteva experimente sunt, în acest moment, pe urmele materiei întunecate. Dar, oamenii de ştiinţă au descoperit de fapt existenţa ei cu decenii în urmă.

În 1930, astrofizicianul Fritz Zwicky observa rotaţiile galaxiilor din roiul galactic Părul Veronicăi (Coma Berenices), un grup de mai mult de 1000 de galaxii, situate la mai mult de 300 de milioane ani-lumină faţă de Pământ. El a estimat masa acestor galaxii, pe baza luminii pe care o emiteau. A fost surprins să descopere că, dacă estimarea lui era corectă, la vitezele cu care se roteau galaxiile, acestea ar fi trebuit să zboare care încotro. De fapt, ar fi fost necesar ca roiul să aibă de cel puţin 400 de ori mai multă masă decât cea pe care a estimat-o el în baza luminii emise, pentru a ţine roiul împreună. Ceva misterios părea să influenţeze balanţa; o materie "întunecată" nevăzută părea să adauge masă galaxiilor.

Ideea de materie întunecată a fost în mare măsură ignorată până în 1970, când astronoma Vera Rubin a văzut ceva ce a făcut-o să se gândească la acelaşi lucru. Studia viteza stelelor ce se mişcau în jurul centrului galaxiei vecine Andromeda. Ea a anticipat că stelele aflate la marginea discului galactic se vor mişca mai încet decât cele dinspre axa galaxiei deoarece stelele mai apropiate de roiul de stele strălucitoare - şi de aceea mai masive - dinspre centru, ar simţi în cea mai mare măsură atracţia gravitaţională. Totuşi, ea a descoperit că stelele de la marginea galaxiei se mişcau la fel de repede ca cele dinspre mijloc. Asta ar fi avut sens, s-a gândit ea, dacă discul de stele vizibile era înconjurat de un halo şi mai mare decât galaxia, alcătuit din ceva ce ea nu putea vedea: ceva ca o materie întunecată.

Alte observaţii astronomice au confirmat de atunci că ceva ciudat se petrece cu felul în care galaxiile şi lumina călătoresc prin spaţiu. Este posibil ca această confuzie să-şi aibă rădăcinile într-o greşeală în înţelegerea gravitaţiei - Rubin însăşi este partizană a acestei idei. Totuşi, dacă materia întunecată există, am văzut deja efectele ei.





2. Este posibil să fi văzut deja materia întunecată


Ilustratie materia intunecata
Credit imagine: Sandbox Studio, Chicago

Câteva experimente sunt în căutarea materiei întunecate şi câteva dintre ele este posibil să o fi găsit deja. Problema este că niciun conducător de experiment nu a fost în măsură să facă afirme acest lucru cu suficientă încredere, încât să convingă comunitatea ştiinţifică - fie datorită statisticilor, fie datorită inabilităţii de a elimina posibile explicaţii alternative. Şi nu există două experimente care să spună acelaşi lucru, suficient de convingător, pentru ca oamenii de ştiinţă să declare vreun rezultat confirmat.

În 1998 oamenii de ştiinţă de la experimentul DAMA, un detector de materie întunecată aflat în subteranele muntelui Gran Sasso din Italia, au găsit un model promiţător în datele lor. Rata la care experimentul detecta impulsuri de la posibile particule de materie întunecată se schimba pe parcursul anului - urcând la un maxim în iunie şi coborând la minim în decembrie.

Asta era exact ceea ce aşteptau cercetătorii de la DAMA. Dacă galaxia noastră este înconjurată de un halo de materie întunecată, atunci Pământul îl străbate în permanenţă în timp ce orbitează Soarele - iar Soarele se mişcă neîncetat prin materia întunecată în timp ce orbitează în jurul centrului Căii Lactee. Timp de jumătate de an Pământul se mişcă în aceeaşi direcţie ca şi Soarele. În timpul celeilalte jumătăţi de an se mişcă în direcţie opusă acestuia. Când Pământul şi Soarele se mişcă în tandem, viteza lor combinată prin haloul de materie întunecată este mai mare decât atunci când Pământul şi Soarele se mişcă în opoziţie. Rezultatele experimentului DAMA par să spună că Pământul chiar se mişcă printr-un halo de materie întunecată.

Totuşi, există câteva fisuri: particulele din detectorul DAMA pot să fie altceva decât materie întunecată, altceva prin care Pământul şi Soarele se mişcă în permanenţă. Sau altceva ar putea să se modifice în mediul învecinat. Experimentul DAMA, numit acum DAMA/LIBRA, a continuat să observe această modulaţie anuală, dar rezultatele nu sunt suficient de concludente pentru ca cei mai mulţi oamenii de ştiinţă să o considere drept descoperire a materiei întunecate.

Va fi dificil pentru oricare dintre experimente să-i convingă pe oamenii de ştiinţă că a fost descoperită materia întunecată. S-ar putea ca oamenii să devină mai încrezători numai atunci când câteva experimente vor începe să vadă acelaşi lucru. Dar asta depinde de ceea ce vor găsi, spune teoreticianul Neal Weiner, director al Centrului pentru Cosmologie şi Fizica Particulelor de la Universitatea New York. Materia întunecată s-ar putea dovedi a fi ceva mai ciudat şi mai complicat decât ne imaginăm.

"Dacă materia întunecată se va dovedi a fi ceva relativ obişnuit, atunci poate că va fi necesar un singur experiment pentru ca oamenii să se entuziasmeze despre asta - şi două pentru a fi oarecum convinşi", spune el. "Dar, dacă apare ceva neaşteptat, atunci va fi necesar ceva mai mult decât atât pentru a convinge oamenii".

În 2008 experimentul spaţial PAMELA a detectat un exces de pozitroni - rezultaţi probabil din coliziunea şi anihilarea reciprocă a particulelor de materie întunecată. În 2013 experimentul AMS-02, efectuat pe Staţia Spaţială Internaţională, a găsit acelaşi rezultat cu şi mai mare certitudine. Dar oamenii de ştiinţă rămân neconvinsi, argumentând că pozitronii pot proveni la fel de bine de la pulsari.

Experimente subterane - incluzând CoGeNT, XENON, CRESST, CDMS şi LUX - au oscilat între a sprijini şi apoi a dezminţi posibile detectări ale materiei întunecate. Se pare că va trebui să aşteptăm până când următoarea generaţie de experimente în domeniul materiei întunecate vor fi finalizate şi vom avea o imagine mai clară.


3. Nu ştim ce este materia întunecată; ar putea fi mai multe tipuri care să alcătuiască un întreg "sector întunecat"


Materia intunecata. Materia vizibila
Credit imagine: Sandbox Studio, Chicago

Oamenii de ştiinţă au venit cu câteva modele pentru ceea ce ar putea fi materia întunecată. Principalul candidat în momentul acesta este WIMP, Weakly Interacting Massive Particle (Particule Masive cu Interacţiune Slabă). Alte posibilităţi includ particule prezise deja de modelele de supersimetrie, o teorie care adaugă câte o nouă particulă fundamentală care să corespundă fiecăreia din cele pe care le cunoaştem. Grupuri de oamenii de ştiinţă sunt, de asemenea, în căutarea particulelor de materie întunecată numite axioni.

Dar nu există niciun motiv pentru care să existe numai un singur tip de particule de materie întunecată. Materia vizibilă, quarcurile, gluonii şi electronii care ne alcătuiesc pe noi toţi şi tot ceea ce putem vedea, împreună cu o întreagă faună de particule fundamentale şi forţe incluzând fotonii, neutrinii şi bosonii Higgs, alcătuiesc numai 5 procente din Univers. Restul este materie întunecată - care alcătuieşte circa 23 de procente - şi energie întunecată, o cu totul altă poveste - care revendică restul de 72 de procente.

După cum spune Weiner: imaginaţi-vă un om de ştiinţă din lumea materiei întunecate încercând să înţeleagă materia vizibilă. Materia vizibilă compune o fracţiune atât de mică din ceea ce există; ce ar putea ghici oamenii de ştiinţă din lumea materiei întunecate referitor la lumea vizibilă nouă? Lumea pe care o ştim este atât de diversă; de ce ar fi lumea materiei întunecate atât de simplă? Oamenii de ştiinţă se întreabă dacă particulele întunecate se pot combina în atomi întunecaţi care să interacţioneze cu un electromagnetism întunecat. Ar putea urma o chimie a materiei întunecate? Oamenii de ştiinţă au început să caute particule uşoare de materie întunecată prezise de modelele "sectorului întunecat".


4. Există şanse să putem observa materia întunecată în următorii 5-10 ani, dar s-ar putea şi să nu o vedem niciodată


Materia intunecata. Viitorul
Credit imagine: Sandbox Studio, Chicago

Sunt timpuri ameţitoare pentru un om de ştiinţă căutând materia întunecată. Cu un număr de diferite idei experimentale programate a da roade în anii următori, mulţi prevăd că materia întunecată va fi în mâinile noastre într-un deceniu.

"Cu adevărat unul dintre cele mai provocatoare lucruri este că toate aceste tehnici vor ajunge la maturitate în acelaşi timp", spune Tim Tait, teoretician la Universitatea California, Irvine. "Este o mare ocazie să le pui una împotriva alteia şi să vezi ce se va întâmpla".

Oamenii de ştiinţă ar putea găsi materia întunecată în câteva feluri diferite.

În primul rând o pot detecta direct. Detecţia directă înseamnă a aştepta răbdător cu un echipament mare, sensibil, într-un laborator liniştit, subteran, cât mai departe posibil de interferenţe din partea altor particule. În anii următori, oamenii de ştiinţă vor micşora lista curentă de tehnici de detectare pentru a concentra resursele lor pe construirea celei mai mari şi sensibile generaţii de experimente de până acum.

A doua cale de a găsi materie întunecată este de a o observa indirect - căutând efectele materiei întunecate cu experimente aflate în spaţiu. Actualizări ale experimentelor curente desfăşurate pe sateliţi sau pe Staţia Spaţială Internaţională vor oferi oamenilor de ştiinţă mai multe date pentru a-i ajuta să determine semnificaţia posibilelor efecte ale materiei întunecate pe care le-au observat.

A treia cale de a descoperi materia întunecată este de a o produce într-un accelerator ca Marele Accelerator de Hadroni. Este posibil ca atunci când două fascicule de particule se ciocnesc în LHC, energia lor să se convertească în masă sub formă de materie întunecată. LHC este închis acum pentru mentenanţă şi modernizare, dar când va fi repornit în 2015, va atinge aproape dublul energiei anterioare, deschizând calea producerii de particule cum nu au mai fost create vreodată.

Odată ce oamenii de ştiinţă vor fi găsit materie întunecată folosind una dintre aceste metode, vor putea atunci să concentreze toate eforturile lor, spune Tait. Odată ce vom şti mai multe despre proprietăţile ei, "acest lucru va impulsiona toată această activitate", spune el. "Acum suntem într-o încăpere întunecoasă, orbecăind încoace şi încolo. Odată ce vom şti unde se află lucrul pe care îl căutăm, îl vom putea studia mult mai atent."

Dar, este de asemenea posibil ca materia întunecată să scape tuturor încercărilor noastre de a o detecta sau produce. Dacă oamenii de ştiinţă nu găsesc materie întunecată în următorii zece ani, s-ar putea să fie nevoiţi să găsească noi metode de a o căuta. Sau se poate să fie nevoiţi să reconsidere ceea ce ştiu despre gravitaţie.



Traducere de Marian Stănică după four-things-you-might-not-know-about-dark-matter, cu acordul editorului.