Cea mai mare parte a materiei din Univers poate fi compusă din particule care conţin un câmp electromagnetic neobişnuit, în formă de gogoaşă, numit anapol. Această teorie atribuie particulelor ce formează materia întunecată o formă rară de electromagnetism.
Teoria este susţinută de o analiză detaliată efectuată de către doi fizicieni teoreticieni din cadrul Vanderbilt University, profesorul Robert Scherrer şi postdoctorandul Chiu Man Ho. Un articol despre cercetarea lor a fost publicat online în Journal Physics Letters B.
Această imagine prezintă o comparaţie între un câmp anapol şi dipolii electrici şi magnetici obişnuiţi. Un câmp anapol, reprezentat în partea de sus a imaginii, este generat de un curent electric toroidal. Prin urmare, câmpul obţinut este reţinut în cadrul torului în loc să se răspândească prin spaţiu, asa cum este cazul câmpurilor generate de dipolii electrici şi magnetici convenţionali.
Credit: Michael Smeltzer, Vanderbilt University
„Există un număr mare de teorii diferite cu privire la natura materiei întunecate. Ce-mi place despre această teorie este simplitatea sa, unicitatea și faptul că aceasta poate fi testată", a declarat Scherrer.
În articolul intitulat „Anapole Dark Matter", fizicienii propun că materia întunecată, o formă invizibilă de materie care reprezintă 85% din toată materia din Univers, poate fi compusă din particule elementare numite fermioni Majorana. Existenţa acestor particule a fost prezisă încă din anii 1930, dar acestea nu au putut fi detectate.
O serie de fizicieni au sugerat că materia întunecată este formată din particule Majorana, dar Scherrer şi Ho au efectuat calcule detaliate care demonstrează că aceste particule posedă un câmp electromagnetic având o formă mai puţin obişnuită, de gogoașă şi numit câmp anapol. Acest câmp le oferă acestora proprietăți care diferă de cele ale particulelor care conţin câmpurile obişnuite ce au 2 poli (nord și sud, pozitiv și negativ) și explică de ce sunt atât de dificil de detectat.
„Cele mai multe modele pentru materia întunecată presupun că aceasta interacţionează prin intermediul unor forţe cu care nu ne întâlnim în viaţa de zi cu zi. Materia întunecată tip anapol se bazează pe electromagnetismul obişnuit despre care ai învăţat la şcoală, aceeaşi forţă care face magneţii să se lipească de frigider sau cea care face ca un balon frecat de părul tău să se lipească de tavan", a spus Scherrer. „În plus, modelul face predicţii foarte precise privind cantitatea în care aceasta ar trebui să apară în detectoarele de materie întunecată care sunt îngropate în pământ, peste tot în lume. Aceste previziuni arată că, în curând, existența materiei întunecate tip anapol ar trebui să fie detectată sau exclusă de către aceste experimente".
Fermionii sunt particule precum electronii şi quarcurile, care sunt blocurile de construcţie ale materiei. Existenţa lor a fost prezisă de Paul Dirac în 1928. Zece ani mai târziu, cu puţin timp înainte să dispară misterios în mare, italianul Ettore Majorana a creat o variantă a ecuaţiilor lui Dirac care prezice existența unui fermion neutru din punct de vedere electric. De atunci, fizicienii au început căutarea fermionilor Majorana. Prima propunere a fost neutrinul, dar oamenilor de ştiinţă le-a fost imposibil să determine care este adevărata natură a acestei particule greu de detectat.
Existența materiei întunecate a fost propusă pentru prima dată în anul 1930 pentru a explica viteza de rotație a clusterelor galactice care este diferită faţă de cea rezultată din modelele teoretice. Ulterior, astronomii au descoperit că viteza cu care stelele se rotesc în jurul galaxiilor individuale diferă de valorile aşteptate. Observații detaliate au arătat ca stelele aflate departe de centrul galaxiilor se mișcă cu viteze mult mai mari decât se poate explica considerând cantitatea de materie vizibilă pe care galaxiile o conțin. Aceste observaţii pot fi explicate cel mai simplu presupunând că galaxiile conțin o cantitate mare de materie invizibilă numită materie întunecată.
Oamenii de ştiinţă au emis ipoteza că materia întunecată nu poate fi observată cu ajutorul telescoapelor, deoarece aceasta nu interacţionează foarte puternic cu lumina şi alte radiații electromagnetice. De fapt, observaţiile astronomice au exclus practic posibilitatea ca particulele de materie întunecată să poată conduce sarcinile electrice.
Totuși, mai recent, mai mulţi fizicieni au analizat ipoteticele particulele de materie întunecată care nu conduc sarcini electrice, dar au dipoli electrici sau magnetici. Problema o reprezintă faptul că aceste modele teoretice, mai complicate, sunt excluse pentru particulele Majorana. Acesta este unul dintre motivele pentru care Ho și Scherrer au analizat mai atent materia întunecată considerând un moment magnetic tip anapol.
„Deși fermionii Majorana sunt neutri electric, simetriile fundamentale ale naturii le interzic să posede orice alte proprietăți electromagnetice cu excepția celei anapol", a spus Ho. Existența unei structuri magnetice tip anapol a fost prezisă de fizicianul sovietic Yakov Zel'dovich în 1958. De atunci, aceasta a fost observată în structura magnetică a nucleelor atomilor de cesiu-133 şi yterbiu-174.
Particulele cu dipoli electrici şi magnetici obişnuiţi interacţionează cu câmpurile electromagnetice chiar şi atunci când acestea sunt staţionare. Particulele având câmpuri tip anapol nu. Acestea trebuie să fie în mişcare înainte de a interacţiona şi cu cât se mişca mai repede cu atât interacţionează mai puternic. Prin urmare, particulele anapol ar fi interacţionat mult mai mult în timpul primelor zile ale Universului şi interacţionează mai puţin pe măsură ce Universul se extinde şi se răceşte.
Particulele de materie întunecată tip anapol, sugerate de către Ho şi Scherrer, s-au anihilat reciproc în Universul timpuriu, similar altor particule de materie întunecată propuse, dar surplusul de particule din procesele ce s-au desfăşurat a format materia întunecată ce o analizăm astăzi. Deoarece, în prezent, materia întunecată este mult mai lentă în mişcare iar interacţiunea tip anapol depinde de cât de repede se mişcă aceasta, particulele ce formează materia întunecată nu au putut fi detectate până acum.
Traducere de George Cristian Podariu după simple-theory-dark cu acordul editorului
