Materia întunecatăUniversul abundă în materie întunecată. Nimeni nu ştie însă din ce constă această materie întunecată. Fizicienii de la Universitatea din Oslo au lansat acum o explicaţie matematică foarte solidă care ar putea rezolva misterul odată şi pentru totdeauna.

 

 

 

 

 

 

Harta raze gama

Imaginea prezintă toate razele gama înregistrate de sonda spaţială Fermi-LAT ca o hartă a întregului Univers. Banda roşie care străbate mijlocul imaginii este radiaţia de la galaxia noastră. Centrul galaxiei este aproape în centrul imaginii. „Este ca un mic surplus de raze gama care s-a constatat că nu poate fi  explicat imediat prin radiaţiile aşteptate de la materia obişnuită. Observaţiile se potrivesc cu modelele noastre de materie întunecată. Acest surplus de raze gama nu este vizibil cu ochiul, dar poate fi găsit în urma unei analize de durată a datelor” spune Are Raklev, care ne reaminteşte că analiza este încă puţin nesigură.

 

Astrofizicienii au ştiut în ultimii 80 de ani că cea mai mare parte a Universului constă dintr-o materie necunoscută, materia întunecată. Rezolvarea misterului poate fi acum foarte aproape. „Căutăm un nou membru al grădinii zoologice a particulelor pentru a explica materia întunecată. Ştim că aceasta este un animal foarte exotic. Şi am găsit o explicaţie plauzibilă" relatează Are Raklev, profesor asociat din domeniul fizicii particulelor de la Departamentul de Fizică al Universităţii din Oslo. El este un teoretician de frunte al universităţii, în domeniul fizicii astroparticulelor şi a lansat un model care explică din ce poate consta materia întunecată şi cum se pot descoperi pe cale experimentală particulele invizibile. Chiar dacă materia întunecată este invizibilă, astrofizicienii ştiu că ea există. Fără această materie întunecată, este imposibil de explicat modul în care lucrurile vizibile din Univers sunt suspendate împreună.

O luptă de 80 de ani

Fizicianul elveţian de renume mondial Fritz Zwicky a speculat despre ce ar putea fi materia întunecată încă de la începuturile anilor 1930. Astrofizicienii au calculat că 80 procente din toată masa Universului este materie întunecată, invizibilă. Datorită gravitaţiei, această materie întunecată se adună laolaltă, la fel ca materia obișnuită. Materie întunecată poate explica de ce stelele se mişcă aşa cum o fac. Materia întunecată ar putea explica de asemenea viteza de rotaţie a galaxiilor. „Cu toate că putem calcula câtă materie întunecată este în Univers, ştim încă puţin despre ceea ce este materia întunecată. Particulele din materia întunecată trebuie, fie să aibă multă masă, fie să fie foarte multe. Neutrinii întrunesc toate cerinţele materiei întunecate. Dar există o mare problemă. Ei au, de departe, o masă mult prea mică”. Are Raklev încearcă acum să demonstreze că materia întunecată este formată din particulele numite gravitino. Acesta este o particulă care a fost tratată nedrept ani de zile.

Dar chiar aşa, ce sunt gravitino? Ţine-te bine: gravitino sunt partenerii supersimetrici ai gravitonului. Sau, pentru a fi mai precişi: „Gravitino este partenerul ipotetic, supersimetric, al ipoteticei particule graviton, aşa încât este astfel imposibil să se prezică o particulă mai ipotetică decât aceasta” râde Raklev, care a scris pe paginile sale de web că el caută materia întunecată atât sub canapeaua sa, cât şi în alte locuri.  În scopul de a săpa mai adânc pentru a vedea de ce Raklev consideră că materia întunecată este formată din gravitino şi pentru a avea vreo şansă să înţelegem teoria din spatele gravitino-ului, Apollon va merge câţiva paşi în urmă: 


Pasul 1: Supersimetria


Fizicienii vor să afle dacă natura este sau nu supersimetrică. Supersimetria înseamnă că există o simetrie între materie şi forţe. Pentru fiecare tip de electron şi quark există un partener greu, supersimetric. Particulele  supersimetrice au fost create instantaneu, după Big Bang. Dacă unele dintre ele au supravieţuit până în ziua de azi, ele ar putea fi constituentele materiei întunecate. Partenerul supersimetric al gravitonului este, după cum a declarat Apollon, gravitino. „Un graviton este particula care credem că mediază forţa gravitaţională, exact ca un foton, particula de lumină, mediatoarea forţei electromagnetice. În timp ce gravitonii nu au de loc greutate, gravitino pot avea o greutate mare. Dacă natura este supersimetrică şi gravitonii există, atunci şi gravitino există. Şi vice versa. Aceasta este matematică pură”.

Dar există un mic dar. Fizicienii nu pot demonstra relaţia dintre gravitoni şi gravitino înainte de a fi reuşit să unifice toate forţele naturii. 


Pasul 2: Forţele naturii


Unul din lucrurile cele mai importante după care tânjesc fizicienii este de a unifica toate forţele naturii într-o singură teorie. La mijlocul secolului trecut, fizicienii au descoperit că electricitatea şi magnetismul sunt parte ale aceleiaşi forţe a naturii. Acestă forţă a fost denumită de atunci electromagnetism. Două dintre celelalte forţe ale naturii sunt forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă. Forţa nucleară slabă poate fi întâlnită, printre altele, în radioactivitate. Forţa nucleară tare este de zece miliarde de ori mai puternică şi leagă împreună neutronii şi protonii. În anii 1970, electromagnetismul a fost unificat cu forţele nucleare tari şi slabe în ceea ce fizicienii numesc modelul standard. A patra forţă a naturii este gravitaţia. Chiar dacă este incredibil de dureros să cazi pe scări, gravitaţia este cea mai slabă dintre cele patru forţe ale naturii. Problema este că fizicienii nu au reuşit încă să unifice gravitaţia cu celelalte trei forţe ale naturii. În ziua în care fizicienii vor ajunge la o înţelegere unitară a tuturor celor patru forţe ale naturii, ei vor ajunge la o înţelegere unică a lumii. Aceasta va face posibilă descrierea tuturor interacţiunilor imaginabile între toate particulele posibile din natură. Fizicienii numesc această teorie Teo, Teoria totului (Theory of Everything).

 

Are Raklev

 

Foto: Are Raklev, teoretician de frunte al universităţii în domeniul fizicii astroparticulelor, a lansat un model matematic care explică din ce poate consta materia întunecată

"În scopul de a unifica forţa gravitaţională cu celelalte trei forţe ale naturii, trebuie să înţelegem gravitaţia ca teorie cuantică.  Aceasta înseamnă că avem nevoie de o teorie în care particula graviton este inclusă în nucleul atomic".

Cercetătorii sunt acum în căutarea semnelor atât ai supersimetriei, cât şi ai Teoriei totului.  Descoperirea gravitonului ar putea fi un pas enorm în această direcţie. 

Descoperă materia întunecată

Aşa cum cititorul a înţeles, este foarte dificilă cercetarea materiei întunecate. Aceasta este din cauza că materia întunecată nu are interacţiuni electromagnetice cu particulele terestre. Un exemplu de materie întunecată este anterior menţionatul neutrino. Din nefericire, neutrinii reprezintă doar o parte imperceptibil de mică a materiei întunecate. Chiar dacă nu a fost posibilă observarea materiei întunecate, câteva miliarde de neutrini străbat prin corpul tău în fiecare secundă. Oricum, viteza lor este limitată într-o oarecare măsură. Particulele se mişcă la fel de încet ca şi viteza cu care sistemul solar se mişcă în jurul galaxiei. Cu alte cuvinte, cu doar 400 km pe secundă. „Atunci când nu există relaţii electromagnetice cu particulele vizibile, particulele pot trece chiar prin noi, fără ca vreun instrument de măsurat să le detecteze. Aici intervine supesimetria. Dacă supersimetria este adevărată, fizicienii pot explica de ce este materie întunecată în Univers. Aceasta este partea distractivă în meseria mea”, râde Raklev. El afirmă acum că materia întunecată constă în principal din gravitino. „Supersimetria simplifică totul. Dacă Teoria totului există, cu alte cuvinte dacă este posibil de unificat cele patru forţe ale naturii, atunci gravitino trebuie să existe”. Particulele gravitino s-au format imediat după Big Bang. „La scurt timp după Big Bang am avut o supă de particule care se ciocneau. Gluonii, care sunt particulele purtătoare de forţă în cazul forţei nucleare tari, s-au ciocnit cu alţi gluoni, emiţând gravitino. Multe particule de gravitino s-au format după Big Bang, când universul era încă plasmă. Avem deci o explicaţie de ce gravitino există”.  

Durata de viaţă actualizată

Fizicienii au văzut până acum particula gravitino ca o problemă. Ei au crezut că teoria supersimetriei nu funcţionează pentru că sunt prea mulţi gravitino. „Fizicienii s-au străduit, prin urmare, să elimine gravitino din modelele lor. Noi, pe de altă parte, am găsit o nouă explicaţie care unifică modelul supersimetriei cu materia întunecată care constă din particule de gravitino. Dacă materia întunecată nu este stabilă, ci doar are o viaţă foarte lungă, este posibil să se explice cum de materia întunecată este alcătuită din gravitino”.

În modelele vechi, materia întunecată a fost întotdeauna veşnică. Acest lucru a însemnat că gravitino a fost o parte supărătoare a modelului supersimetriei. În noul model al lui Raklev, durata lor de viaţă nu mai este fără sfârşit. Cu toate acestea, durata medie de viaţă a gravitino-ului este foarte lungă şi de fapt, mai lungă decât durata de viaţă a universului. Oricum, este o mare diferenţă între o durată de viaţă nelimitată şi o durata de viaţă de peste 15 miliarde de ani. Cu o durată de viaţă limitată, gravitino trebuie să se transforme în alte particule. Tocmai efectul acestei transformări este ceea ce poate fi măsurat. Iar transformarea explică modelul.

„Noi credem credem că aproape toată materia întunecată este gravitino. Explicaţia constă în matematică foarte avansată. Suntem în curs de elaborare a unor modele speciale care calculează consecinţele acestor teorii şi putem prezice modul în care particulele pot fi observate în experimente”.

Măsurătorile sunt în curs de desfăşurare

Cercetătorii încearcă acum să le testeze în mod experimental şi să explice de ce aceste noi particule nu au fost încă observate în experimentele CERN de la Geneva, în Elveţia.

„Pe de altă parte, ar fi teoretic posibil să le observăm dintr-o sondă spaţială”.

Modul cel mai simplu de a observa particula gravitino ar putea fi observarea a ceea ce se întâmplă cu două particule care se ciocnesc în univers şi se transformă în alte particule, cum ar fi fotoni sau antimaterie.  Chiar dacă coliziunile apar foarte rar, nu există încă atât de mult materie întunecată în Univers încât un număr semnificativ de fotoni să poată fi produs. Problema mai mare este însă că particulele gravitino nu se ciocnesc. „Sau cel puţin se întâmplă atât de rar, încât nu putem spera să le observăm”. Cu toate acestea, există speranţă.

„Din fericire pentru noi, gravitino nu sunt sută la sută stabili. Ei se transformă în altceva la un moment dat. Noi putem prevedea ce semnal apare după ce gravitino s-au transformat. Transformarea va transmite o mică undă electromagnetică. Aceasta este numită, de asemenea, şi rază gama”.

Sonda spaţială NASA Fermi LAT măsoară în prezent razele gama. Un număr de grupuri de cercetare analizează acum datele.

„Până acum am văzut doar zgomot. Dar unul din grupurile de cercetare susţine că ei au observat un mic surplus, suspect, de raze gama provenind din centrul galaxiei noastre. Observaţiile lor s-ar putea încadra în modelele noastre”, spune omul care se află în spatele foarte dificilului model matematic pentru materia întunecată, profesorul asociat de fizică teoretică a particulelor, Are Raklev.

         

Traducere după revolutionary-theory-dark de Mircea Ştefan Moldovan, cu acordul editorului

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.