Materie întunecatăDeterminarea masei particulelor de materie întunecată necesită luarea în calcul a mai mulţi factori, dintre care unul este distribuţia vitezei particulelor. Estimările cele mai recente ale masei materiei întunecate iau în calcul unele ipoteze în ceea ce priveşte distribuţia vitezei.

 

 

Asta, deoarece această distribuţie are un grad ridicat de incertitudine. Într-un nou studiu, fizicienii au prezentat o nouă metodă de măsură, independentă de model, pentru a obţine masa materiei întunecate şi care nu necesită formularea de ipoteze privind repartiţia vitezelor. Aceasta este prima dată când masa materiei întunecate poate fi măsurată cu precizie, într-un mod imparţial. Fizicienii prezic că această metodă de măsură va fi foarte utilă pentru analiza datelor experimentale ce vor fi obţinute în viitor.

 

Materie întunecată

Un grup masiv de galaxii de culoare gălbuie, aparent prinse într-o pânză de păianjen, de culoare roşie şi albastră, formată din galaxiile din fundal a căror imagine este deformată în mod ciudat, formează o poză fascinantă, obţinută cu ajutorul noii camere Advanced Camera for Surveys. Această cameră se aflată la bordul telescopului spaţial Hubble al NASA. Pentru a obţine această imagine, fără precedent, a cosmosului, telescopul Hubble a privit direct spre centrul clusterului galactic cunoscut sub numele de Abell 1689 şi considerat a fi unul dintre cele mai masive clustere galactice cunoscute în prezent. Gravitaţia trilioanelor de stele ce formează acest cluster galactic, împreună cu cea a materiei întunecate, acţionează ca o lentilă gravitaţională de-a lungul a 2 milioane de ani lumină în spaţiu. Aceste lentile gravitaţionale curbează şi amplifică lumina galaxiilor aflate cu mult mai departe, în spatele lor. Unele dintre cele mai estompate obiecte din imagine se află, probabil, la peste 13 miliarde de ani lumină depărtare (deplasarea spre roşu are valoarea 6). Lentilele gravitaţionale puternice, observate de către telescopul spaţial Hubble în clusterul galactic Abell 1689, indică prezenţa materiei întunecate.
Credit: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), ACS Science Team şi ESA



Oamenii de ştiinţă, Bradley J. Kavanagh şi Anne M. Green de la University of Notthingham, au publicat lucrarea lor privind măsurarea masei materiei întunecate, independent de model, într-o ediţie recentă a Physical Review Letters.

Deşi fizicienii nu cunosc exact ce este materia întunecată, un candidat posibil este reprezentat de interacţiunea slabă cu materia obişnuită a particulelor masive (Weakly interacting massive particle - WIMP). Oamenii de ştiinţă pot detecta particulele WIMP în laborator, atât direct cât şi indirect, prin particulele rezultate în urma proceselor de anihilare la care acestea sunt supuse. În cadrul unui experiment direct pentru detecţia acestor particule, oamenii de ştiinţă pot măsura reculul nuclear produs de particulele WIMP care interacţionează cu nucleele atomice, iar aceste date pot oferi o modalitate de a măsura masa WIMP.

Cu toate acestea, pentru a obţine aceste date privind valoarea masei particulelor de materie întunecată, oamenii de ştiinţă trebuie să facă presupuneri privind distribuţia vitezei particulelor de materie întunecată din haloul galaxiei Calea Lactee. Această distribuţie de viteze furnizează valori pentru viteza particulelor de materie întunecată şi determină valoarea energiilor de recul ce trebuie observate în experimentele efectuate.

De obicei, oamenii de ştiinţă folosesc un model mai simplu, reprezentat de haloul galaxiei Calea Lactee, numit model de halo standard, pentru a face presupuneri privind distribuţia de viteze. Dar, aşa cum fizicienii au subliniat, unele simulări recente sugerează că acest model nu este corect. De exemplu, modelul de halo standard nu ţine cont de efectul barionilor, care nu este pe deplin înţeles. Diferenţele ce rezultă, în acest fel, pot conduce la apariţia de incertitudini privind repartiţia de viteze şi acestea pot determina, la rândul lor, valori confuze privind măsurătorile masei WIMP. Deşi au fost propuse mai multe încercări diferite prin care să se ţină cont de această incertitudine, toate aceste propuneri au încă lacune importante, iar unele dintre ele emit alte ipoteze.

În prezent, fizicienii au prezentat o metodă care permite ca masa WIMP să poată fi măsurată fără a fi necesară emiterea unor ipoteze în prealabil, utilizând numai datele care vor fi disponibile, în curând, în cadrul experimentele viitoare. Pentru a demonstra această nouă metodă de măsurare, fizicienii au generat trei seturi de date, de tip test şi le-au utilizat pentru a obţine masa WIMP pentru diferite scenarii. Ei au arătat că, deşi noua metodă conduce la o incertitudine inevitabilă în secţiunea transversală (un factor care implică interacţiunea particulelor), se poate, totuşi, calcula cu exactitate masa WIMP.

„Înainte de a avea această metodă, era necesar să se emită unele ipoteze privind distribuţia vitezelor, pentru a obţine informaţii privind masa materiei întunecate", a declarat Kavanagh pentru Phys.org. „Cu toate acestea, nu există nicio modalitate de a cunoaşte cât de exacte sunt aceste ipoteze, aşa încât nu există nicio modalitate de a şti dacă masa obţinută pentru materia întunecată este corectă. Am arătat, pentru prima dată, că într-o mulţime de scenarii, putem analiza datele fără a face astfel de ipoteze şi, prin urmare, masa materiei întunecate poate fi determinată într-un mod mai credibil din cadrul experimentelor de detecţie directă".

Aşa cum explică fizicienii, această capacitate de a putea măsura masa WIMP, fără a face presupuneri privind distribuţia de viteze, va fi foarte utilă atunci când analizăm datele obţinute din numeroasele experimente privind materia întunecată.

„Materia întunecată nu poate fi reprezentată de particulele cunoscute din Modelul Standard al fizicii particulelor", a spus Kavanagh. „Acest lucru înseamnă că materia întunecată trebuie să fie formată din particule de un nou tip, guvernate de o fizică din afara Modelului Standard. Cunoaşterea masei particulelor de materie întunecată ne poate oferi o imagine din interior pentru noua fizică. De exemplu, ea ne permite să excludem teoriile care nu anticipează o valoare corectă pentru masa materiei întunecate.

„În prezent, în toate experimentele de detectare directă nu s-a observat niciun semnal care să confirme materia întunecată. Acest lucru ne permite să stabilim limite cu privire la modul în care particulele de materie întunecată interacţionează slab cu nucleele obişnuite. Cu toate acestea, cu ajutorul detectoarelor de dimensiuni mari şi a unor timpi de expunere mai îndelungaţi, putem sonda interacţiuni din ce în ce mai slabe şi se speră că un semnal va fi observat, cândva, în viitorul apropiat la unele din detectoarele actuale sau viitoare. În momentul în care se întâmplă acest lucru, metoda noastră ne va permite să combinăm datele din mai multe experimente de detectare directă pentru a obţine valori corecte pentru masa materiei întunecate şi distribuţia de viteze".

În viitor, fizicienii doresc să perfecţioneze şi să extindă noua metodă propusă şi au speranţa să poată detecta un semnal al materiei întunecate în viitorul apropiat.

„În prezent, lucrăm la testarea metodei folosind mai multe seturi de date, tip test, reprezentând o varietate mai largă de distribuţii de viteză şi mase WIMP", a spus Kavanagh. „Sperăm, de asemenea, să extindem metoda de analiză a datelor privind direcţia. Detectoarele de direcţie măsoară atât energia cât şi direcţia reculului nuclear şi, prin urmare, ne permit să obţinem repartiţia de viteză într-un mod complet tridimensional, în loc de o repartiţie de viteze unidimensională. Aceasta, la rândul său, ne va permite să explorăm dinamica haloului galaxiei Calea Lactee folosind experimente direcţionale.

„Din păcate, noi nu ştim cât de puternic (sau cât de slab) interacţionează materia întunecată cu nucleele obişnuite, aşa că nu ştim când va fi observat un semnal WIMP. Odată cu apariţia detectoarelor de ordinul tonelor, în următorii câţiva ani ar trebui să putem testa interacţiuni ale materiei întunecate de 100 de ori mai slabe ca cele ce pot fi cercetate în prezent. Dacă suntem norocoşi, acest lucru înseamnă că am putea observa un semnal al materiei întunecate în următorii câţiva ani".



Traducere de George-Cristian Podariu după model-independent-dark-mass-future-discoveries 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.