Το αντιήλιο προσφέρει ελπίδα στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης

ΤΟ 2010, ΦΥΣΙΚΟΙ στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων άρχισαν να παράγουν μια εξωτική μορφή αντιύλης γνωστής ως αντιήλιο. Η αντιύλη είναι αυτή η άπιαστη ουσία που εκμηδενίζεται όταν συναντά την κανονική ύλη και το αντιήλιο είναι το δίδυμο αντιύλη του κλασικού ατόμου ηλίου, το υλικό που βρίσκετε στα μπαλόνια για πάρτι. Ενώ κανένας άνθρωπος δεν έχει βρει ποτέ οριστικά ένα σωματίδιο αντιηλίου στη Γη, θα μπορούσε να είναι το κλειδί για την απάντηση σε ένα από τα μεγαλύτερα εξαιρετικά μυστήρια στη φυσική: τη φύση της σκοτεινής ύλης.

Αν και αυτό το θηρίο μπορεί να είναι σπάνιο στη Γη, οι φυσικοί πιστεύουν ότι θα μπορούσε να είναι άφθονο στον γαλαξία μας, σύμφωνα με τον φυσικό Ivan Vorobyev, ερευνητή στο CERN. Αυτό συμβαίνει επειδή πιστεύουν ότι το αντιήλιο θα μπορούσε να σχηματιστεί στη διάσπαση της σκοτεινής ύλης, μια αόρατη ουσία που φαίνεται να αποτελεί το 85 τοις εκατό της ύλης του σύμπαντος. Τη Δευτέρα, η ομάδα του Vorobyev ανακοίνωσε ότι είχαν δημιουργήσει περίπου 18.000 πυρήνες αντιηλίου - και πιο συγκεκριμένα, ότι χρησιμοποίησαν το αποτέλεσμά τους για να υπολογίσουν τις πιθανότητες οι ανιχνευτές με βάση τη Γη να καταγράψουν το αντιήλιο που παρασύρεται από το διάστημα, όπου μπορεί να σημαίνει την παρουσία σκότους ύλη.

Μεταξύ 2016 και 2018, η ομάδα του Vorobyev είχε συνθέσει περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο σωματίδια στον δακτύλιο μήκους 16 μιλίων του LHC, με έδρα τη Γενεύη. Έκαναν δύο τύπους συγκρούσεων σωματιδίων: πρωτόνια με πρωτόνια και ιόντα μολύβδου με ιόντα μολύβδου, τα οποία διασπώνται για να αναμορφώσουν μια μυριάδα νέων σωματιδίων, όπως πιόνια, καόνια και περισσότερα πρωτόνια. Η καταγραφή των συντριμμιών απαιτούσε petabyte - δηλαδή χιλιάδες φορητούς σκληρούς δίσκους - δεδομένων. Μετά, άρχισαν να το κοσκινίζουν. «Φιλτράραμε μόνο το μέρος που μας ενδιαφέρει», λέει ο Vorobyev, μέλος της συνεργασίας ALICE, που διεξήγαγε το έργο. (Το ακρωνύμιο σημαίνει A Large Ion Collider Experiment.)

Συγκεκριμένα, η ομάδα του Vorobyev μηδενίστηκε σε μια έκδοση του αντισωματιδίου που είναι γνωστή ως αντιήλιο-3, που αποτελείται από δύο αντιπρωτόνια και ένα αντινετρόνιο. Η ομάδα του Vorobyev δεν είναι η πρώτη που δημιούργησε το αντιήλιο-3: Οι επιστήμονες παρατήρησαν το αντισωματίδιο για πρώτη φορά το 1970 παράγοντας το σε έναν επιταχυντή. Ωστόσο, κανείς δεν το έχει συλλάβει ποτέ στη φύση. Ενώ η αντιύλη σχηματίζεται φυσικά στον πλανήτη μας, συνήθως αποτελείται από ελαφρά σωματίδια όπως τα ποζιτρόνια, το αντίστοιχο της αντιύλης των ηλεκτρονίων, τα οποία έχουν χιλιάδες φορές μικρότερη μάζα από το αντιήλιο. Αλλά το αντιήλιο-3 είναι σχετικά βαρύ και όσο πιο βαρύ είναι το σωματίδιο αντιύλης, τόσο πιο σπάνια θα παραχθεί. «Αν συγκρουσθείτε βαριά ιόντα, κάθε επιπλέον νουκλεόνιο θα σας κοστίσει περίπου 300 ή 400», λέει ο Vorobyev. «Αυτό σημαίνει ότι κάθε επόμενος πυρήνας θα παράγεται με συντελεστή 350 μικρότερο από τον προηγούμενο».

Αν και οι φυσικοί έχουν συμπεράνει την παρουσία της σκοτεινής ύλης μέσω της βαρυτικής της επίδρασης στην περιστροφή των γαλαξιών, εξακολουθούν να μην γνωρίζουν από τι αποτελείται. Οι υποθέσεις περιλαμβάνουν αντικείμενα τόσο βαριά όσο οι μαύρες τρύπες και τόσο ελαφριά όσο τα 100 εκατομμυριοστά της μάζας ενός ηλεκτρονίου. Πριν από δύο δεκαετίες, οι φυσικοί πρότειναν για πρώτη φορά ότι ορισμένα σωματίδια σκοτεινής ύλης - γνωστά ως Weakly Interacting Massive Particles, ή WIMPs - θα μπορούσαν να εκμηδενιστούν με την αντισκοτεινή ύλη για να παράγουν ύλη και αντιύλη σε ίσες ποσότητες. Εάν η σκοτεινή ύλη εκτοξεύει το αντιήλιο καθώς εξαφανίζεται, η εύρεση αυτού του αντισωματιδίου θα ήταν μια ένδειξη ότι υπάρχει πραγματικά.

Θεωρητικά, οι φυσικοί που αναζητούν τη σκοτεινή ύλη θα μπορούσαν πραγματικά να κυνηγήσουν είτε την ύλη είτε την αντιύλη που δημιουργεί. «Σε πολλά μοντέλα, η σκοτεινή ύλη είναι το δικό της αντισωματίδιο, ή υπάρχουν ίσες ποσότητες σκοτεινής ύλης και αντισκοτεινής ύλης», λέει ο φυσικός Tim Linden από το Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης στη Σουηδία, ο οποίος δεν συμμετείχε στο πείραμα LHC. "Είτε έτσι είτε αλλιώς, έχετε την τάση να δημιουργείτε περίπου τόσα αντισωματίδια όσα σωματίδια από τον αφανισμό της σκοτεινής ύλης."

Ωστόσο, τα αστέρια και άλλα αστροφυσικά αντικείμενα που δεν σχετίζονται με τη σκοτεινή ύλη παράγουν επίσης πολλά σωματίδια εξωγήινης ύλης, λέει ο Linden, γεγονός που καθιστά δύσκολο τον προσδιορισμό της προέλευσής τους. «Έτσι, αναζητούμε υπογραφές αντιύλης, επειδή οι αστροφυσικές διεργασίες είναι κακές στην κατασκευή τους και το φόντο είναι μικρότερο», λέει. Με αυτή την έννοια, τυχόν ανιχνευμένα σωματίδια αντιύλης από το διάστημα είναι πιο πιθανό να προέρχονται από τη σκοτεινή ύλη.

Ο ενθουσιασμός για την αντιύλη ως υπογραφή της σκοτεινής ύλης έχει αυξηθεί λόγω ενός δελεαστικού σήματος που ανακοίνωσαν οι αστροφυσικοί το 2016. Ερευνητές που είναι υπεύθυνοι για το Άλφα Μαγνητικό Φασματόμετρο (AMS), ένα όργανο στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, είπαν στην κοινότητα ότι πιθανώς είχαν εντοπίσει οκτώ πυρήνες αντιηλίου. Δεν έχουν δημοσιεύσει επίσημα το αποτέλεσμα και οι ερευνητές εξακολουθούν να αναφέρουν το σήμα ως "δοκιμαστικό", αλλά "είναι εμπνευσμένη αυτή η προσπάθεια να καταλάβουμε - αν αυτό το σήμα ήταν αληθινό - πώς θα μπορούσε να είχε έρθει εδώ;" λέει ο Λίντεν.

Το πείραμα και η ανάλυση του LHC είναι σημαντικά επειδή έχουν ενισχύσει την εμπιστοσύνη του πεδίου στην ανίχνευση αντιηλίου από το διάστημα ως στρατηγική για την εύρεση της σκοτεινής ύλης. Αφού παρήγαγε τους πυρήνες στον ανιχνευτή τους, η ομάδα του Vorobyev ανέλυσε πόσο πιθανό θα ήταν το αντιήλιο να διασπαστεί ή να εκμηδενιστεί με κανονική ύλη καθώς κινούνταν μέσα από τη μηχανή. Χρησιμοποίησαν αυτά τα ευρήματα για να προσομοιώσουν ένα μοντέλο του Γαλαξία για να υπολογίσουν πόσο πιθανό ήταν να φτάσουν στη Γη πυρήνες αντιηλίου, που προέρχονται από απόσταση έως και δεκάδων χιλιάδων ετών φωτός. Ο χώρος είναι αρκετά άδειος, αλλά καθώς το αντιήλιο ταξιδεύει μέσω του γαλαξία προς τον πλανήτη μας, αυτοί οι πυρήνες εξακολουθούν να έχουν κάποια πιθανότητα να συγκρουστούν με σύννεφα αερίου και να διασπαστούν.

Τα αποτελέσματα είναι ελπιδοφόρα: «Έχουμε δει ότι οι μισοί από αυτούς θα επιβιώσουν από το ταξίδι στους ανιχνευτές κοντά στη Γη», λέει ο Vorobyev. Και αυτό είναι ένα καλό σημάδι ότι οι ανιχνευτές αντιύλης των φυσικών θα πιάσουν τελικά ένα ταξιδεύον σωματίδιο αντιηλίου. Η AMS, η οποία εντόπισε τα πιθανά σήματα που αναφέρθηκαν το 2016, εξακολουθεί να ψάχνει. Ένα νέο όργανο, που ονομάζεται General Antiparticle Spectrometer, έχει προγραμματιστεί να εκτοξευθεί με μπαλόνι στην ατμόσφαιρα της Ανταρκτικής στα τέλη του 2023, όπου θα αναζητήσει αντιήλιο μαζί με άλλα σωματίδια σε υψόμετρο 25 μιλίων.

Αυτή η νέα εργασία δείχνει πόσο περίπλοκη και αβέβαιη μπορεί να είναι η επιστημονική διαδικασία. Για να αντιμετωπίσουν ένα ερώτημα τόσο μεγάλο όσο η σκοτεινή ύλη, οι θεωρητικοί έπρεπε να σκεφτούν πώς οι ερευνητές θα μπορούσαν να το εντοπίσουν στη Γη. Οι πειραματιστές έπρεπε στη συνέχεια να εκτελέσουν δοκιμές όπως του Vorobyev για να επαληθεύσουν τις ιδέες των θεωρητικών. Οι αστροφυσικοί έπρεπε να κατασκευάσουν τα όργανα για να αναζητήσουν σήματα αντιύλης. Τώρα, τα νήματα ενώνονται, τουλάχιστον για έρευνες σκοτεινής ύλης με βάση το αντιήλιο. «Είναι μια πολύ καλή συγχώνευση κοινοτήτων να προσπαθείς να βρεις απαντήσεις σε αυτά τα πραγματικά δύσκολα προβλήματα», λέει ο Linden.

Αλλά αυτές οι κοινότητες έχουν ακόμη πολλή δουλειά μπροστά τους. Για θεωρητικούς όπως ο Linden, εξακολουθούν να ανακαλύπτουν τις λεπτομέρειες του τρόπου με τον οποίο η σκοτεινή ύλη μπορεί να παράγει αντιήλιο εξαρχής. Οι αστροφυσικοί πρέπει να παρακολουθούν για σήματα αντιηλίου από το διάστημα και αν δουν κάποια, θα πρέπει να ελέγξουν ότι τα αντισωματίδια είναι σύμφωνα με τις προβλέψεις των θεωρητικών για τη σκοτεινή ύλη. Το πείραμα ALICE θέτει τις βάσεις για μια νέα προσέγγιση για την επίλυση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης — αλλά οι φυσικοί έχουν ακόμα πολλά από την τρύπα του κουνελιού να εξερευνήσουν.