Νέος υπολογισμός της μάζας του αξιονίου του υποθετικού συστατικού της σκοτεινής ύλης

Χάρη σε εξελιγμένους αλγόριθμους που έτρεξαν σε υπερυπολογιστή, ευρωπαίοι ερευνητές υπολόγισαν ότι η μάζα που μπορεί να έχει το «αξιόνιο», ένα υποθετικό συστατικό της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης η οποία αντιστοιχεί στο 85% της μάζας του Σύμπαντος, είναι δεκαπλάσια από ότι νόμιζαν. Μόνο που ο μεγαλύτερος ανιχνευτής για την ανίχνευση αξιονίων δεν είναι σχεδιασμένος να λειτουργεί σε αυτό το εύρος μάζας.

1792830k

Εδώ και δεκαετίες οι αστρονόμοι πασχίζουν να ανακαλύψουν από τι είδους σωματίδια αποτελείται η σκοτεινή ύλη, της οποίας η ύπαρξη είναι απολύτως απαραίτητη προκειμένου να εξηγηθεί το πώς περιστρέφονται οι γαλαξίες: αν η μόνη ύλη που υπήρχε στους γαλαξίες είναι αυτή που βλέπουμε, τα άστρα των γαλαξιών θα εκτινάσσονταν προς όλες τις κατευθύνσεις αντί να κινούνται σε τροχιά.

Για να εξηγηθεί η κίνησή τους απαιτείται η ύπαρξη πολύ περισσότερης μάζας, η οποία όμως παραμένει άφαντη παρόλο που βρίσκεται παντού γύρω μας.

Το αξιόνιο είναι ένα από τα σωματίδια που έχουν προταθεί ως συστατικά αυτού του μυστηριώδους υλικού. Οι φυσικοί το αναζητούν από το 1977 χωρίς αποτέλεσμά μέχρι σήμερα (η ανακάλυψή του όχι μόνο θα έλυνε το μυστήριο της σκοτεινής ύλης, αλλά θα εξηγούσε και ένα δεύτερο φαινόμενο που αφορά την ισχυρή πυρηνική δύναμη, την ύλη και την αντιύλη).

Το μεγαλύτερο πείραμα που έχει υλοποιηθεί ως σήμερα για την ανίχνευση αξιονίων είναι ο ανιχνευτής ADMX Axion Dark Matter Experiment, σχεδιασμένος να μετατρέπει τα υποθετικά σωματίδια σε ανιχνεύσιμα φωτόνια. Η προσπάθεια ξεκίνησε το Εθνικό Εργαστήριο «Λόρενς Λίβερμορ» στην Καλιφόρνια το 1996 και μετακόμισε το 2010 στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σιάτλ.

LUX_darkmatter_inlineΟ ανιχνευτής LUX  απέτυχε να ανιχνεύσει την σκοτεινή ύλη μέσω αλληλεπιδράσεων με υγρό ξένον

Το πρόβλημα είναι ότι οχεδιασμός του πειράματος βασίστηκε σε υπολογισμούς που έδειχναν ότι η μάζα του αξιόνιου είναι μικρή, της τάξης των 5 microelectronvolt (μEV), ή 100 δισεκατομμύριο φορές μικρότερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου.

Τώρα, όλα ανατρέπονται από μελέτη στο Nature που υπολογίζει ότι η μάζα του αξιόνιου πρέπει να είναι στην πραγματικότητα 100 φορές μεγαλύτερη, κάτι που μάλλον υπερβαίνει τις δυναότητες του ADMX.

Η νέα μελέτη

Η μελέτη βασίστηκε σε σύνθετες προσομοιώσεις του νεαρού Σύμπαντος, οι οποίες έτρεξαν στο Υπερυπολογιστικό Κέντρο «Γιούλιχ» στη Γερμανία. Σε συνοδευτικό άρθρο σχολιασμού στο ίδιο τεύχος του Nature, η Μαρία Πάολο Λομπάρντο του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής στην Ιταλία επαινεί την «πρωτοφανή ακρίβεια» που προσφέρει η μελέτη.

Τονίζει επίσης ότι η νέα εκτίμηση για τη μάζα του αξιονίου είναι πολύτιμη στις προσπάθειες ανίχνευσής του. «Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα προκειμένου να κατανοήσουμε τις ιδιότητες αυτού του μυστηριώδους σωματιδίου και να διαμορφώσουμε στρατηγικές για την ανίχνευσή του» γράφει.

Ακόμα και για το πείραμα ADMX, όμως, δεν έχουν τελειώσει όλα: θεωρητικά, η μάζα του αξιονίου θα μπορούσε να είναι πολύ μικρότερη από ό,τι θέλει η τελευταία μελέτη, αρκεί το σωματίδιο να εμφανίστηκε λίγο πιο νωρίς στην ιστορία του Σύμπαντος, πριν από μια φάση απότομης διόγκωσης που ονομάζεται πληθωρισμός.

Όλα τα ενδεχόμενα είναι ακόμα ανοιχτά. Ακόμα και το ενδεχόμενο να αποδειχθεί το αξιόνιο ανύπαρκτο.

Πηγή