ΤΑ ΑΞΙΟΝΙΑ ΚΑΙ Η ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

Η ΤΕΛΕΥΤΑΙΑ ΗΜΕΡΑ ΤΟΥ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ ΕΙΝΑΙ Η ΗΜΕΡΑ ΤΗΣ ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ ΥΛΗΣ (Dark Matter Day).

 

«Νόμωι χροιή, ετεήι δε άτομα και κενόν».

 

«Στην πραγματικότητα δεν υπάρχουν,  παρά μόνο τα άτομα και το κενόν».

 

  Απόσπασμα 9 Β,  Δημόκριτος, από  τα  Άβδηρα  της  Θράκης,  400  π.Χ.

Σήμερα  έχει  πλέον  επιβεβαιωθεί: η φαινομενικά στερεά ουσία  του  κόσμου  μας,  στην πραγματικότητα δεν  είναι  τίποτα άλλο, παρά διακυμάνσεις του κβαντικού κενού.

 Δισδιάστατη παράσταση βαρυτικών κυμάτων. 
Δύο αστέρες νετρονίων τριγυρίζουν ο ένας τον άλλον και προκαλούν το φαινόμενο. 

 

Η  ΣΚΟΤΕΙΝΗ  ΥΛΗ

 

Η σκοτεινή ύλη είναι αόρατη  και  υπολογίζεται πως αναλογεί στο 23% του σύμπαντος, συγκριτικά με το 4% που αντιστοιχεί στη συμβατική «ορατή» ύλη.  Δεν εκπέμπει, ούτε ανακλά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Παρ’ όλα αυτά παίζει καταλυτικό ρόλο στη δομή του σύμπαντος, αφού η ύπαρξή της αποτελεί τη μοναδική εξήγηση για την περιστροφική κίνηση των αστέρων που βρίσκονται στις παρυφές των γαλαξιών. 

 

 


 

Σύμφωνα με την ερευνητική αποστολή Planck και πάνω στη βάση του Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model of Cosmology), η συνολική υλοενέργεια (ύλη-ενέργεια) του σύμπαντος περιέχει 4,9% συνηθισμένη ύλη, 26,8% σκοτεινή ύλη και 68,3% σκοτεινή ενέργεια. Συνεπώς, η σκοτεινή ύλη υπολογίζεται ότι συνεισφέρει κατά 84,5% στη συνολική ύλη και κατά 26,8% στο συνολικό περιεχόμενο του σύμπαντος.

 

Μέχρι στιγμής, η σκοτεινή ύλη συνεχίζει να διαφεύγει των προσπαθειών μας για πειραματική ανίχνευση. Η μελέτη της σκοτεινής ύλης αποτελεί σήμερα μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της πειραματικής φυσικής. Η ανίχνευση σωματιδίων «σκοτεινής ύλης» και η μελέτη του τρόπου που αλληλεπιδρούν με την «ορατή» ύλη, μπορεί να μας δώσει μια βαθύτερη κατανόηση της φύσης και μια επαναδιατύπωση των θεωριών που την περιγράφουν. Η μεγάλη πλειοψηφία των φυσικών  επιστημόνων σήμερα δεν τρέφει καμιά αμφιβολία για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.  Η κατανόησή της φύσης  της  σκοτεινής  ύλης  είναι αποφασιστική για την κατανόηση της δημιουργίας και της μοίρας του Σύμπαντος και για αυτό συνιστά μια από τις μεγαλύτερες πειραματικές προκλήσεις του 21ου αιώνα. 



ΑΝ  ΔΕΝ  ΥΠΗΡΧΕ  Η  ΣΚΟΤΕΙΝΗ  ΥΛΗ  ΤΟ  ΣΥΜΠΑΝ  ΘΑ  ΔΙΑΛΥΟΝΤΑΝ

 

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.

Η σκοτεινή ύλη και  ενέργεια  αντιπροσωπεύει το 84,5% της συνολικής ύλης και  ενέργειας  του σύμπαντος, ενώ όσον αφορά στις ιδιότητές της, το μόνο που γνωρίζουν με βεβαιότητα οι επιστήμονες είναι πως δεν ανακλά ούτε απορροφά ακτινοβολία, με συνέπεια να μην μπορούν να την ανιχνεύσουν ή να τη μετρήσουν. Η ύπαρξη και ο τρόπος δράσης της προκύπτει μόνο από τον τρόπο που με τη βαρύτητά της επιδρά στη συμβατική ύλη και το φως.

Μέχρι σήμερα τα στοιχεία για την ύπαρξη σκοτεινής ύλης προέρχονται από την ερμηνεία των αστροφυσικών παρατηρήσεων, με βάση την θεωρία που έχουμε για την βαρύτητα. Αν η θεωρία της βαρύτητας είναι  λάθος, τότε ίσως και το συμπέρασμα πως πρέπει να υπάρχει σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να είναι λάθος. Ωστόσο, μετά την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων έχουμε περισσότερους λόγους να πιστεύουμε πως η υπόθεση της σκοτεινής ύλης είναι σωστή.



ΥΠΑΡΧΟΥΝ  ΔΥΟ  ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ  ΥΛΗΣ 

Υπάρχουν δύο «οικογένειες» σκοτεινής ύλης που ερευνούν οι επιστήμονες: η βαρυονική και η μη βαρυονική.

Η πρώτη,  η  βαρυονική, είναι συνηθισμένης μορφής ύλη, η οποία για κάποιο λόγο δεν εκπέμπει κάποιας μορφής ακτινοβολία, που θα την καθιστούσε ορατή. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα MACHO’s:  (Massive Compact Halo Objects), δηλαδή Μεγάλης Μάζας Συμπαγή Αντικείμενα της Άλω.

Η μη-βαρυονική σκοτεινή ύλη

Τα σενάρια της μη-βαρυονικής σκοτεινής ύλης στηρίζονται στο γεγονός πως τα σωματίδια που περιγράφονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο της  Κοσμολογίας,  δεν μπορούν να αποτελούν τη σκοτεινή ύλη. 
Σύμφωνα με αυτά τα σενάρια, η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από βαριά νετρίνο ή από δύο άλλες κατηγορίες σωματιδίων που είναι τα αξιόνια και τα WIMPs  (=ασθενώς αλληλεπιδρώντα βαρέα σωματίδια). 
Eπιπλέον, όπως η ορατή ύλη αποτελείται από μια ποικιλία σωματιδίων, όπως τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, δεν θα ήταν παράλογο να περιμένει κανείς πως και η σκοτεινή ύλη θα αποτελείται από διαφορετικά είδη σωματιδίων.

Το αξιόνιο (ή σωματίδια σαν τα αξιόνια [ALP=axionlike-particles]), είναι ένα από τα σωματίδια που έχουν προταθεί ως συστατικά αυτού του μυστηριώδους υλικού.  
Οι φυσικοί το αναζητούν από το 1977 χωρίς αποτέλεσμα 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).

ΕΙΔΙΚΩΤΕΡΑ:

Τα τρία πιθανά συστατικά τα οποία απαρτίζουν την "Σκοτεινή Ύλη" είναι:

Συνήθης Ύλη ("μη-εξωτική" δηλ. βαρυονικής φύσης)

Νετρινική Ύλη (Ύλη αποτελούμενη από νετρίνα)

Εξωτική Ύλη (Ύλη αποτελούμενη από υπερ-συμμετρικά σωματίδια)

Συνήθης Ύλη

Αυτή διακρίνεται σε δύο κατηγορίες:

Αντικείμενα MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects). Όμως, περαιτέρω παρατηρήσεις (Alcock, 1996) μας δείχνουν ότι τα MACHO μπορούν να δικαιολογήσουν περίπου το 20% της σκοτεινής βαρυονικής ύλης που μας «λείπει».

Νέφη μοριακού υδρογόνου στην εξωτερική περιοχή του γαλαξιακού δίσκου (Pfenniger & Combes, 1994). Αυτή η υπόθεση ενισχύεται από την ανίχνευση γραμμών CO από αέριο σε απόσταση 12 kpc από το κέντρο του γαλαξία (Lequex, Allen, Guilloteau, 1993).

Υλικά Νετρίνα

Ένα πιθανό σενάριο για την ερμηνεία της σκοτεινή ύλης είναι τα υλικά  νετρίνα (massive neutrinos), δηλαδή η υπόθεση ότι τα νετρίνα έχουν μάζα.

Πειράματα ανίχνευσης ηλιακών νετρίνων μας δείχνουν ότι υπάρχει απόκλιση ανάμεσα στα αναμενόμενα και στα παρατηρούμενα νετρίνα, απόκλιση που δεν μπορεί να ερμηνευθεί από τις αβεβαιότητες στα διάφορα ηλιακά μοντέλα ή από τα σφάλματα στα διάφορα πειράματα παρατήρησης (Conforto 1998). Τα ίδια συμπεράσματα επαληθεύονται από παρατηρήσεις στο πείραμα Super-Kamiokande (Fukuda, 1998) για ατμοσφαιρικά νετρίνα.

Όλα αυτά αποτελούν ισχυρές ενδείξεις ότι τα νετρίνα έχουν μάζα.

Εξωτική Ύλη

Θεωρητικά όμως η θεωρία που φιλοδοξεί να περιγράψει το συντριπτικό ποσοστό της Σκοτεινή Ύλης είναι η υπερσυμμετρία,  (Supersymmetry -SuSy).

Οι θεωρίες "ρήξης" της SuSy (Broken Supersymmetric Theories) υποστηρίζουν την ύπαρξη υπερσυμμετρικών σωματιδίων στην γαλαξιακή άλω, ως απηχήσεις της μεγάλης έκρηξης. Σύμφωνα με αυτές τις θεωρίες τα ελαφρύτερα και σταθερότερα υπερσυμμετρικά σωμάτια που δημιουργήθηκαν στο πρώιμο Σύμπαν, έχουν επιβιώσει μέχρι την εποχή μας και εξαϋλώνονται, παράγοντας πολύ ενεργά αντι-πρωτόνια.

Τέτοια σωμάτια είναι:

το  μετραλίνο  (neutralino),

το  σηλεκτρόνιο (selectron) και

το  φωτίνο  (photino).

Αυτά τα υπερσυμμετρικά σωματίδια θα μπορούσαν να έχουν συνενωθεί σε δομές σκοτεινής ύλης της τάξης μεγέθους των γαλαξιών. Θα έπρεπε όμως και να μην εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά για να οριστούν ως σκοτεινή ύλη.

Αναλογία των συστατικών

Σύμφωνα με διάφορες εκτιμήσεις τα ποσοστά των τριών συστατικών στην σύσταση της Σκοτεινής Ύλης είναι:

Συνήθης (ή βαρυονική) Ύλη, 1%.

Νετρινική (ή «θερμή» Σκοτεινή Ύλη), 30%

Εξωτική (ή «ψυχρή» Σκοτεινή Ύλη δηλ. Ύλη υπερσυμμετρικών σωματιδίων) 69%

 

TA  BAΡΥΤΙΚΑ  KYMATA

Tα βαρυτικά κύματα είναι κυματισμοί της καμπυλότητας του  χωροχρονικού  συνεχούς,  διαδίδονται ως κύματα από την πηγή προς τα έξω και μεταφέρουν ενέργεια υπό την μορφή βαρυτικής ακτινοβολίας. Η ύπαρξή τους είναι συνέπεια του αναλλοίωτου του μετασχηματισμού Lorentz.   Τα κύματα βαρύτητας δεν μπορούν να υφίστανται στη νευτώνεια θεωρία της βαρύτητας, η οποία διατυπώνει ότι οι φυσικές αλληλεπιδράσεις διαδίδονται με άπειρη ταχύτητα.

Διάφοροι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων είναι υπό κατασκευή ή σε λειτουργία, όπως το αναβαθμισμένο LIGO το οποίο ξεκίνησε παρατηρήσεις τον Σεπτέμβριο του 2015.

Πιθανές πηγές ανιχνεύσιμων βαρυτικών κυμάτων περιλαμβάνουν δυαδικά αστρικά συστήματα που αποτελούνται από λευκούς νάνους, αστέρες νετρονίων ή μαύρες τρύπες.  

Στις 11 Φεβρουαρίου 2016, οι ομάδες συνεργασιών LIGO και Virgo ανακοίνωσαν επίσημα ότι έκαναν την πρώτη παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων, που προέρχονταν από ένα ζευγάρι μαύρων τρυπών που συγχωνεύονταν, χρησιμοποιώντας τους ανιχνευτές του αναβαθμισμένου LIGO.

Τα βαρυτικά κύματα μπορούν θεωρητικά να υπάρξουν σε όλες τις συχνότητες. Πρακτικά, βαρυτικά κύματα πολύ χαμηλής συχνότητας είναι αδύνατον να ανιχνευθούν. Το φάσμα βαρυτικών κυμάτων εκτιμάται από 10-7Hz ως 1011Hz καθώς το άνω όριο περιορίζεται από την μη ύπαρξη πηγών βαρυτικής ακτινοβολίας υψηλών συχνοτήτων.

Παρότι έως τις αρχές του 2016 δεν είχε ακόμη αποδειχθεί η ύπαρξη τους, έχει έμμεσα δειχθεί η ύπαρξη βαρυτικής ακτινοβολίας από τον εκφυλισμό τροχιών διπλών αστρικών συστημάτων (π.χ. το  [πάλσαρ PSR B1913+16 από τους Ράσελ Άλαν Χαλς και Τζόσεφ Χούτον Τέιλορ).

Τον Φεβρουάριο του 2016 ανακοινώθηκε από τους επιστήμονες η επιτυχής παρατήρηση τους από το LIGO η οποία επιβεβαίωνε χωρίς αμφιβολίες την ύπαρξη τους, μια εξέλιξη η οποία χαιρετίστηκε ως η μεγαλύτερη ανακάλυψη του αιώνα καθώς  επιτρέπουν την άμεση παρατήρηση της Μεγάλης Έκρηξης, κάτι που τα συμβατικά τηλεσκόπια τα οποία συλλέγουν ακτινοβολία φωτός αδυνατούσαν καθώς μπορούν να παρατηρήσουν μόνο έως 400.000 έτη μετά τη Μεγάλη Έκρηξη λόγω της μη επαρκούς διασποράς του φωτός.

Τα  βαρυτικά  κύματα  επιτρέπουν την παρατήρηση αντικειμένων στο σύμπαν τα οποία δεν εκπέμπουν φως όπως μαύρες τρύπες και σκοτεινή ύλη

ΤΙ  ΕΙΝΑΙ  ΤΑ  ΑΞΙΟΝΙΑ   

 

Το  αξιόνιο  είναι  ένα  υποθετικό σωματίδιο που δεν έχει ανιχνευτεί ποτέ (δεν υπάρχει επισήμως, ενώ έχει αναζητηθεί σε τεράστιο κομμάτι του ενεργειακού φάσματος) κι απλά πλάστηκε θεωρητικά για να  αιτιολογήσει, τους χρωμοδυναμικούς μηχανισμούς της σκοτεινής ύλης.

Οι  ερευνητές  φυσικοί  μεταξύ  τους  το  αποκαλούν  μειωτικά  αναξιόνιο διότι:

 α.  δεν έχει αναγνωριστεί πειραματικά και

β.  ενώ αιτιολογεί τους μηχανισμούς εμφάνισης της  σκοτεινής  ύλης,  το ίδιο δεν αιτιολογείται υπαρξιακά θεμελιωδώς

Τα αξιόνια  προτάθηκαν ότι υπάρχουν, προκειμένου να «καθαρίσουν» ένα σοβαρό πρόβλημα της θεωρητικής φυσικής, που αφορά στον διαφορετικό τρόπο με τον οποίο οι ισχυρές και οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις αντιμετωπίζουν την ύλη και την αντιύλη. Για αυτό και ο εμπνευστής τους τα βάφτισε σαν  το  καθαριστικό,  δίνοντάς τους το όνομα ενός απορρυπαντικό πλυντηρίου ρούχων.

 Θεωρητικά η μάζα τους υπολογίζεται ότι είναι απειροελάχιστη, ακόμη και σε σχέση με το ηλεκτρόνιο, ενώ σε αντίθεση με αυτά δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, γεγονός που καθιστά την ανίχνευσή τους εξαιρετικά δύσκολη. Παρ’ όλα αυτά είναι δυνατό να δημιουργήθηκαν στο αρχέγονο Σύμπαν σε τόσο μεγάλες ποσότητες, που να τα καθιστά σοβαρό υποψήφιο για το επικρατέστερο είδος της σκοτεινής ύλης.

Τα σωματίδια αυτά – που ενδεχομένως παρήχθησαν κατά τη Μεγάλη Έκρηξη και θα μπορούσαν να ελλοχεύουν ολόγυρα μας, συναπαρτίζοντας  αυτά την σκοτεινή ύλη, η οποία αντιπροσωπεύει το 23% της ύλης του Σύμπαντος. – είναι όχι μόνο μικροσκοπικά αλλά και άπιαστα σωματίδια που αλληλεπιδρούν 10¹⁰

πιο ασθενικά με την ύλη από ό,τι το νετρίνο, του οποίου η ανίχνευση  είναι  ήδη  πολύ δύσκολη. 
Τα αξιόνια – αν υπάρχουν – θα διαθέτουν μια εξαιρετικά μικρή μάζα της τάξεως  10^-6  έως 10^-2  eV/C²  — δηλαδή μικρότερη του 1 εκατομμυριοστού εκείνης του ηλεκτρονίου — και θα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, για να αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη, γεγονός που δυσχεραίνει την ανίχνευση τους.  Τα αξιόνια μπορούν να ανιχνευθούν μέσου της αλληλεπίδρασής τους με φωτόνια υπό την παρουσία μαγνητικού πεδίου.  Π.χ.  ένας αριθμός φωτονίων που διαπερνά ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να μετατρέπεται σε αξιόνια  (φαινόμενο Primakoff).

Η ύπαρξη των  αξιονίων  θα εξηγούσε πολλά απρόσμενα αστροφυσικά φαινόμενα, όπως το μυστήριο της θέρμανσης του στέμματος του Ήλιου. Τα σωματίδια αυτά θα πρέπει να παράγονται βαθιά μέσα στον Ήλιο και θα πρέπει να αλληλεπιδρούν με κάποια από τα μαγνητικά πεδία του Ήλιου, καθώς αυτά ρέουν προς τα έξω, παράγοντας εκλάμψεις, που κυρίως εκπέμπουν ακτινοβολία σε μήκη κύματος της περιοχής των ακτίνων Χ.  

Από τον καθηγητή   Κώστα  Ζιούτα  προτάθηκε ένα πείραμα, το CAST (Cern Axion Solar Telescope) για την ανακάλυψη του  αξιονίου.

ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ  ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ  ΖΙΟΥΤΑΣ

 Επικεφαλής του πειράματος CAST που ψάχνει για σκοτεινή ύλη και μετά την πρόσφατη αναβάθμιση επεκτείνει τις έρευνές του και για σκοτεινή ενέργεια.              Τι είναι το Action; Ποιά είναι η σκοτεινή μάζα; Τι είναι η σκοτεινή ύλη και γιατί διαρκώς διογκώνεται; Στα αναπάντητα αυτά ερωτήματα από την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα επιχειρεί να απαντήσει πείραμα του τμήματος φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών που έγινε στο μεγαλύτερο ευρωπαϊκό εργαστήριο για τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, στο CERN.  Το πείραμα CAST στο CERN μελετά τη σκοτεινή ύλη και είναι το πρώτο πείραμα με κατάλληλη «κεραία» ευαίσθητη σε ρεύματα σκοτεινής ύλης, κυρίως από το κέντρο του Γαλαξία έτσι όπως πιθανόν διαμορφώνονται από την βαρυτική εστίαση του Ήλιου. Το όλο project συντονίζεται από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών, με επικεφαλής τον Ομότιμο Καθηγητή του Τμήματος Κώστα Ζιούτα.

ΤΙ  ΕΙΝΑΙ  ΤΟ  CERN

 

To CERN διατηρώντας τη σύντμηση (ακρωνύμιο) της αρχικής ονομασίας του Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, (Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Πυρηνικής Έρευνας)  είναι το μεγαλύτερο σε έκταση (πειραματικό) κέντρο πυρηνικών ερευνών, και ειδικότερα επί της σωματιδιακής φυσικής, στον κόσμο. 

Βρίσκεται δυτικά της Γενεύης, στα σύνορα Ελβετίας και Γαλλίας. Ιδρύθηκε το 1954 από δώδεκα ευρωπαϊκές χώρες και σήμερα αριθμεί 22 κράτη-μέλη, μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα, η οποία είναι και ιδρυτικό μέλος.

Το ανθρώπινο δυναμικό του είναι: 2300 προσωπικό, 1400 υπότροφοι και πρόσεδρα μέλη και 12.500 επιστημονικοί συνεργάτες. Στόχοις του CERN είναι η προώθηση της γνώσης για τον κόσμο γύρω μας, τα μυστικά του Big Bang, πώς ήταν η ύλη στα πρώτα λεπτά της ύπαρξης του Σύμπαντος, η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών για επιταχυντές και ανιχνευτές, η πληροφορική- το Web και το GRID, η ιατρική διάγνωση και θεραπεία, η εκπαίδευση και κατάρτιση επιστημόνων και μηχανικών του αύριο. Οι Έλληνες ερευνητές (από την Ελλάδα και το εξωτερικό) έχουν σημαντική συνεισφορά στην πειραματική και θεωρητική σωματιδιακή φυσική.  Aπό τη πλευρά της Ελλάδας υπέγραψε την ένταξη της χώρας στο πείραμα ο Kαθηγητής Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Ν. Εμπειρίκος. Υπάρχουν περίπου 200 Έλληνες - διαφόρων βαθμίδων συμπεριλαμβανομένων και αρκετών φοιτητών που έρχονται για να κάνουν την εκπαίδευσή/πρακτική τους - ενώ ίδιος είναι και ο αριθμός Ελλήνων ερευνητών από 9 πανεπιστήμια και ερευνητικά ιδρύματα που χρησιμοποιεί το CERN και τα δεδομένα που προκύπτουν στην έρευνά του. 

Αρκετά σημαντικά επιτεύγματα στο πεδίο της φυσικής των σωματιδίων έγιναν μέσω πειραμάτων στο CERN. Αυτά περιλαμβάνουν:

1973: Η ανακάλυψη των ουδέτερων ρευμάτων στο θάλαμο φυσαλίδων Gargamelle.

1983: Η ανακάλυψη των μποζονίων W και Z στα πειράματα UA1 και UA2.

1995: Η πρώτη δημιουργία ατόμων αντιυδρογόνου στο πείραμα PS210.

1999: Η ανακάλυψη της άμεσης παραβίασης CP στο πείραμα NA48.

2010: Η απομόνωση 38 ατόμων αντιυδρογόνου.

2011: Η διατήρηση αντιυδρογόνου για πάνω από 15 λεπτά.

2012: Ένα μποζόνιο με μάζα περίπου 125 GeV / c2 συνάδει με τον πολυπόθητο μποζόνιο Χιγκς.

Τα  Αξιόνια   (action,  axion,  άξιον),  αυτά  τα  υποθετικά σωματίδια,  (είδος  μποζονίων),  αλληλεπιδρούν  πολύ  ασθενώς  με  την  ύλη   και  αν  τα  ανιχνεύσουμε, μπορεί να μας λύσουν κάποια μυστηριώδη και άλυτα προβλήματα της φυσικής.   Η  ύπαρξή  τους  προτάθηκε  για  να  αιτιολογήσει  την  παρατηρούμενη  απόλυτη  διατήρηση  της  CP-συμμετρίας  στις  ισχυρές  αλληλεπιδράσεις  (strong  CP problem).

Για ποιο λόγο η ισχυρή πυρηνική δύναμη διατηρεί τη λεγόμενη συμμετρία CP, η οποία συσχετίζει τις ιδιότητες των σωματιδίων με αυτές  των αντισωματιδίων;

 

Υπολογισμοί στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής έδειχναν, ότι η ισχυρή δύναμη θα διατηρούσε τη συμμετρία CP,  μόνο εφόσον μια συγκεκριμένη παράμετρος της θεωρίας μηδενιζόταν, ωστόσο εξαιτίας κβαντικών φαινομένων η τιμή της παραμέτρου αυτής φαίνεται ότι δεν είναι μηδέν. 

Μερικοί φυσικοί (Helen Quinn και Roberto Peccei στο πανεπιστήμιο του Stanford) έδειξαν ότι, ανάγοντας την παράμετρο αυτή σε κβαντικό πεδίο, η τιμή του θα μηδενιζόταν μέσω κάποιας φυσικής διαδικασίας. Απόρροια του νέου πεδίου, όμως, θα ήταν η ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου —του αξιονίου.

Το 2000, ο Giovanni Cantatore στο Ιταλικό Ίδρυμα Πυρηνικής Φυσικής ερευνούσε τη συμπεριφορά των φωτονίων από μια φωτεινή ακτίνα λέιζερ, μέσω ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου. Παρατήρησε ότι η πόλωση του φωτός μετατοπίστηκε ελαφρώς μόλις πέρασε από το πεδίο – κάτι που δεν ήταν το φαινόμενο που έψαχνε.

Η ομάδα του Giovanni Cantatore υπέθεσε ότι η μετατόπιση της πόλωσης, θα μπορούσε να έχει προκύψει από το μαγνητικό πεδίο, μετατρέποντας κάποια από τα φωτόνια της ακτίνας λέιζερ σε αξιόνια, τα οποία δεν θα μπορούσαν έπειτα να ανιχνευθούν. Αλλά η μετατόπιση που είδαν οι ερευνητές, ενώ ήταν μικροσκοπική, ήταν πολύ μεγαλύτερη από όσο οι φυσικοί θεωρούσαν σαν πιθανή. Εάν ένα τέτοιο φαινόμενο εμφανιζόταν στους πυρήνες των άστρων, παραδείγματος χάριν, η εκπομπή των σωματιδίων άξιον θα αναρροφούσε την ενέργεια, μειώνοντας έτσι την διάρκεια ζωής του άστρου πολύ περισσότερο από την πραγματική διάρκεια του.

Πάντως άλλοι φυσικοί που εκτέλεσαν το ίδιο πείραμα δεν παρατήρησαν κανένα τέτοιο φαινόμενο, κι έτσι η ιδέα του Cantatore εγκαταλείφτηκε.

Η  ΕΡΕΥΝΑ  ΣΥΝΕΧΙΖΕΤΑΙ  ΜΕ  ΤΑ  WIMPs   (=ασθενώς αλληλεπιδρώντα βαρέα σωματίδια).

Τα WIMPs  (=ασθενώς αλληλεπιδρώντα βαρέα σωματίδια) είναι  σωματίδια που προβλέπονται από την θεωρία της υπερσυμμετρίας, με κύριο εκπρόσωπο τους το νετραλίνο,  το  οποίο  είναι  και  αυτό  υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη.
Το  αξιόνιο αποτελεί επίσης  ένα πολύ καλό υποψήφιο σωματίδιο της σκοτεινής ύλης και μάλιστα είναι  και  αυτό  WIMP (αντί για το νετραλίνο), έτσι  μπορεί  να είναι και  η αιτία για μερικές από τις ασυμμετρίες που συμβαίνουν μεταξύ των αριστερόχειρων και δεξιόχειρων πραγμάτων στο σύμπαν, το γνωστό σαν «CP πρόβλημα» των ισχυρών αλληλεπιδράσεων.

Σύμφωνα με τον καθηγητή αστροφυσικής Lawrence Krauss αν τα κοσμικά αξιόνια ξεκινούν τη ζωή τους ως άμαζα σωματίδια, δεν υπάρχει κανένα ενεργειακό κόστος για την πλήρωση του κενού με μια μηδενική πυκνότητα αριθμού τέτοιων σωματιδίων. Σχετικά με την κινητική τους συμπεριφορά, οποιοδήποτε άμαζο σωματίδιο κινείται με την ταχύτητα του φωτός. Ειδικότερα η ενέργειά του δεν καθορίζεται από τη μάζα του, αλλά από τη συχνότητά του (ή το μήκος κύματος) καθώς κινείται με την ταχύτητα του φωτός. Σωματίδια χωρίς  μάζα  με αυθαίρετα μεγάλο μήκος κύματος έχουν αυθαίρετα μικρές συχνότητες, και συνεπώς διαθέτουν αυθαίρετα μικρές ποσότητες ενέργειας.

ΜΕΓΑΛΗ  ΛΙΣΤΑ  ΥΠΟΘΕΤΙΚΩΝ  ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ  ΣΤΙΣ  ΤΕΛΕΥΤΑΙΕΣ  ΘΕΩΡΙΕΣ  ΤΗΣ  ΦΥΣΙΚΗΣ.
 
Οι  θεωρητικοί  φυσικοί  εκτός από τα αξιόνια και  τα νετραλίνο διαθέτουν μια τεράστια λίστα κι άλλων υποθετικών WIMP’s, με εξωτικά ονόματα όπως βαρυτίνα, φωτίνα και Higgs-ίνα. Δεν γνωρίζουμε αν πραγματικά υπάρχουν, όμως αν υπάρχουν, παίζουν βαρύνοντα ρόλο στη μάζα της σκοτεινής ύλης.

Επίσης  υπάρχουν και άλλοι τύποι σωματιδίων όπως τα cryptons, τα branons και οι  καταστάσεις Kaluza-Klein, που προκύπτουν από θεωρίες, που περιλαµβάνουν επιπλέον διαστάσεις.

Οι θεωρητικοί πιστεύουν πως τα σωματίδια αυτά είναι συνολικά μέρος της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος, μαζί με τα νετρίνα, τα Higgs κι άλλα πολλά σωματίδια. Αποτελούν υπολείμματα της Μεγάλης Έκρηξης και δεν συμπεριλαμβάνονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής.

Οι γαλαξίες υποτίθεται  ότι  είναι εμβαπτισμένοι σε συγκεντρώσεις αργά κινουμένων WIMP’s, που έχουν τη μορφή σταγόνων. Οι ταχύτητές τους μπορεί να είναι της τάξης χιλιάδων km/s. Καθώς το ηλιακό μας σύστημα κινείται μέσα στο Γαλαξία, διασχίζει αυτή την θάλασσα των σωματιδίων με ταχύτητα των 220 km/s και έτσι κάθε χιλιόγραμμο της ύλης της Γης, θα μπορούσε να σκεδάζει κάθε ημέρα περίπου 1000 WIMP’s.
 

ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ  ΓΙΑ  ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ  ΤΩΝ  WIMPs 

 

Αν η σκοτεινή ύλη αποτελείται από WIMPs τότε τα WIMPs και τα αντι-WIMPs θα εξαϋλώνονται ενώ ταυτόχρονα θα εκλύουν ενέργεια με τη μορφή ακτίνων γάμμα, ποζιτρονίων και αντιπρωτονίων. 
Η ανίχνευση τέτοιων γεγονότων είναι ο στόχος του πειράματος Alpha Magnetic Spectrometer, που είναι εγκατεστημένο στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό ενώ το κέντρο ελέγχου του βρίσκεται στο CERN. 
Αντίστοιχα πειράματα είναι το FERMI που ψάχνει για WIMPs με μάζες 20-300 GeV και το PAMELA.

ΤΙ  ΕΙΝΑΙ  Η  ΘΕΩΡΙΑ  ΤΩΝ  ΧΟΡΔΩΝ

Η ύπαρξη των αξιονίων είναι ένα απαραίτητο συστατικό της θεωρίας χορδών, ενώ στις θεωρίες της υπερσυμμετρίας το αξιόνιο έχει και βαθμωτό και φερμιονικό υπερ-ταίρι.

Το φερμιονικό υπερ-ταίρι του είναι το αξίνο ενώ το βαθμωτό ονομάζεται s-άξιον.

Η θεωρία των χορδών έχει τη φήμη, ακόμη και μεταξύ των θεωρητικών φυσικών, πως είναι  ότι  πιο  τρομακτικό  υπάρχει  από μαθηματική άποψη.

Η θεωρία των χορδών γενικεύει την καθιερωμένη κβαντική θεωρία πεδίου.

 Η καθιερωμένη κβαντική θεωρία πεδίου είναι δύσκολο να ενσωματωθεί με την γενική σχετικότητα.  Η θεωρία των χορδών μας εξαναγκάζει να υπερκεράσουμε την γενική σχετικότητα σε  μια  θεωρία  που  ενοποιεί  την  βαρύτητα  με τις άλλες δυνάμεις της φύσης.

ΤΟ  ΠΕΙΡΑΜΑ  PVLAS,  ΠΟΥ  ΑΝΙΧΝΕΥΣΕ  ΑΞΙΟΝΙΑ  ΣΤΟΝ  ΗΛΙΟ.

 

Σύμφωνα με μια επιστημονική εργασία,  ενός πειράματος που διεξήχθη στην Ιταλία, γνωστό ως PVLAS (αρκτικόλεξο που σημαίνει «πόλωση του κενού μέσω λέιζερ»), αξιόνια  ανιχνεύθηκαν για πρώτη φορά στο εσωτερικό του Ήλιου.  
Τα αξιόνια υποτίθεται ότι διαθέτουν εξαιρετικά μικρή μάζα ―μικρότερη του 1 εκατομμυριοστού εκείνης του ηλεκτρονίου― και ότι είναι ηλεκτρικώς ουδέτερα. Με τα υπόλοιπα σωματίδια αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς, γεγονός που δυσχεραίνει την ανίχνευσή τους.  Ωστόσο, οι φυσικοί προβλέπουν ότι ένα  πολύ μικρό κλάσμα ενός πλήθους φωτονίων που διαπερνούν κάποιο μαγνητικό πεδίο, μετατρέπεται σε αξιόνια. (Με αυτόν ακριβώς τον τρόπο προβλέπεται ότι παράγονται στον Ήλιο.)

Πράγματι, στο ιταλικό πείραμα ―το οποίο διεξήχθη στα Εθνικά Εργαστήρια του Λεγκνάρο, υπό τους Emilio Zavattini και Giovanni Cantatore του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής (INFN) της Τεργέστης― ανακαλύφθηκαν στη συμπεριφορά μιας δέσμης λέιζερ, ενδείξεις ότι τα αξιόνια υπάρχουν. Το επίπεδο πόλωσης της δέσμης βρέθηκε να έχει στραφεί κατά 10 εκατομμυριοστά της μοίρας, αφού πρώτα η δέσμη παλινδρόμησε 40.000 φορές μέσα σε ένα εξαιρετικά ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Η στροφή αυτή αποτελεί το χαρακτηριστικό σημάδι που αναμέναμε να δούμε στην περίπτωση όπου μερικά φωτόνια μετατρέπονταν σε αόρατα αξιόνια ή, ακριβέστερα, ό,τι οι φυσικοί ονομάζουν «αξιονιοειδή σωματίδια».

Από τα δεδομένα που συνέλεξε, η ομάδα τού PVLAS συνήγαγε την μάζα των υποτιθέμενων αξιονίων και το πόσο ισχυρά αλληλεπιδρούν. Παραδόξως όμως, τα αποτελέσματα αυτά έρχονται σε αντίθεση με άλλες παρατηρήσεις και δεν εναρμονίζονται με τους περιορισμούς που επιβάλλει η αστροφυσική.

Ειδικότερα, το Ηλιακό Τηλεσκόπιο Αξιονίων τού CERN (CAST), λειτουργώντας επί 6 μήνες το 2003, απέτυχε να ανιχνεύσει αξιόνια προερχόμενα από τον Ήλιο. Το αποτέλεσμα αυτό φαινομενικά αποκλείει ένα μεγάλο σύνολο δυνατών μαζών και εντάσεων αλληλεπίδρασης, συμπεριλαμβανομένων και των τιμών που παρατηρήθηκαν στο πλαίσιο του PVLAS. Επιπλέον, αν τα αξιόνια αλληλεπιδρούν τόσο ισχυρά όσο υποδηλώνεται από το PVLAS, θα έπρεπε να παράγονται κατά μεγάλες ποσότητες στα άστρα, αναγκάζοντάς τα να γεράσουν πολύ πιο γρήγορα απ’ όσο γνωρίζουμε.




 ΠΕΙΡΑΜΑ  ΓΙΑ  ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ  ΑΞΙΟΝΙΩΝ

Αν τα αποτελέσματα του PVLAS είναι ορθά, τότε τα αξιόνια θα πρέπει να κάνουν την εμφάνισή τους και σε ένα πείραμα που περιγράφεται ως «διέλευση φωτός μέσα από αδιαφανή τοίχο». Η ιδέα έχει ως εξής: μια δέσμη λέιζερ, περνώντας πρώτα μέσα από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, προσπίπτει πάνω σε έναν αδιαφανή τοίχο. Μερικά από τα φωτόνιά της μετατρέπονται σε αξιόνια, τα οποία διαπερνούν τον τοίχο. Στην πίσω πλευρά του τοίχου, ένα διαφορετικό μαγνητικό πεδίο αναγκάζει μικρό κλάσμα των αξιονίων να μετατραπεί και πάλι σε φωτόνια, τα οποία μπορούν βέβαια να ανιχνευθούν. Ένα τέτοιο πείραμα, χρησιμοποιώντας έναν μεγάλο, ισχυρό μαγνήτη και ευαίσθητους ανιχνευτές φωτονίων, θα επιβεβαίωνε (ή θα κατέρριπτε) πειστικά τα αποτελέσματα του PVLAS.

ΤΑΥΤΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ  ΤΑ  ΑΞΙΟΝΙΑ  ΣΑΝ  ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ  ΤΗΣ  ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ  ΥΛΗΣ;

Η ροή των αξιονίων από τον Ήλιο (μπλε) και η μετατροπή τους σε ακτίνες Χ (πορτοκαλί) οι οποίες ανιχνεύονται από το παρατηρητήριο XMM-Newton. Credit: University of Leicester

Οι αστρονόμοι του πανεπιστημίου του Λέστερ, κατά την ανάλυση των δεδομένων από το διαστημικό τηλεσκόπιο XMM-Newton της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, το οποίο καταγράφει την ακτινοβολία Χ,  παρατήρησαν ότι οι μετρήσεις παρουσίαζαν 10% αύξηση όταν το τηλεσκόπιο «σάρωνε» τα όρια του γήινου μαγνητικού πεδίου που βρίσκεται απέναντι από τον Ήλιο.

Η παρατήρηση αυτή ήταν αναπάντεχη, αφού αφαιρώντας την ακτινοβολία Χ από τις πιο ισχυρές πηγές, όπως τους αστέρες και τους γαλαξίες, κανονικά οι μετρήσεις θα έπρεπε να είναι παρόμοιες σε όλες τις περιοχές. Επειδή κανένα συμβατικό μοντέλο δεν μπορούσε να εξηγήσει την ανωμαλία, οι επιστήμονες στράφηκαν σε εναλλακτικές θεωρίες, διαπιστώνοντας πως μόνο ένας συγκεκριμένος μηχανισμός θα μπορούσε να την εξηγήσει.

Ο μηχανισμός αυτός προβλέπει την ύπαρξη των αξιονίων, θεωρητικών σωματιδίων τα οποία έχουν προταθεί εδώ και χρόνια για συστατικά της σκοτεινής ύλης. Τα αξιόνια  εκπέμπονται από τον Ήλιο,  αφού πρώτα παραχθούν στον πυρήνα του. «Ταξιδεύοντας» στο διάστημα, όσα σωματίδια φτάνουν στις παρυφές του γήινου μαγνητικού πεδίου εκπέμπουν ακτινοβολία Χ, κάτι που θα δικαιολογούσε την αύξησή της που παρατηρείται τοπικά.

Όπως είναι φυσικό, για να αποκλειστεί οποιαδήποτε άλλη πιθανή εξήγηση, η θεωρία θα πρέπει να επαληθευτεί από επόμενα ανεξάρτητα πειράματα. «Πάντως, η ανακάλυψη θέτει σοβαρή υποψηφιότητα να επιδράσει με καταλυτικό τρόπο όχι μόνο στην καλύτερη κατανόηση των πηγών ακτινοβολίας Χ στο σύμπαν, αλλά και στον προσδιορισμό της φύσης της σκοτεινής ύλης», σημειώνει στο σάιτ του βρετανικού πανεπιστημίου ο καθηγητής και επικεφαλής της έρευνας Άντι Ριντ.

Την ίδια άποψη συμμερίζεται ο Μάρτιν Μπάρστοου, πρόεδρος της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας και επίσης καθηγητής στο Λέστερ. «Πρόκειται για ένα συναρπαστικό αποτέλεσμα. Αν επιβεβαιωθεί, θα πρόκειται για την πρώτη φορά που εντοπίσθηκαν άμεσα και ταυτοποιήθηκαν τα σωματίδια σκοτεινής ύλης, με τεράστιες συνέπειες για τις θεωρίες μας για το σύμπαν».

ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΚΕ  ΣΚΟΤΕΙΝΗ  ΥΛΗ;

Η ανάλυση των φασμάτων ακτίνων Χ που εκπέμπονται από γαλαξιακά σμήνη έδειχνε την παρουσία μιας μονοχρωματικής γραμμής φωτονίων ενέργειας ~3,6 keV. Τα φάσματα συλλέχθηκαν από το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων Χ, XMM-Νewton.

Η ανίχνευση αυτών των φωτονίων, θα μπορούσε να είναι μια ισχυρότατη ένδειξη για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, δεδομένου ότι υπάρχει μοντέλο σκοτεινής ύλης (με στείρα νετρίνα), που προβλέπει την παραγωγή τέτοιων φωτονίων.

Άλλοι  ερευνητές  όμως  υποστήριξαν ότι οι παρατηρήσεις ακτίνων Χ που προέρχονται από το κέντρο του γαλαξία μας, αποκλείουν την εκπομπή σήματος φωτονίων, προερχόμενο από τη διάσπαση στείρων νετρίνων και  ότι σε κάθε περίπτωση δεν υπάρχει κανένα σήμα κοντά στα 3,6 keV από τα γαλαξιακά σμήνη σχετιζόμενο με τη σκοτεινή ύλη.

Έτσι  το  πρόβλημα  παραμένει  αν  τα φωτόνια γαλαξιακής προέλευσης με ενέργεια ~3,5 keV που «βλέπουν» τα διαστημικά τηλεσκόπια, «μεταφράζονται» ή όχι,  ως ενδείξεις ύπαρξης σκοτεινής ύλης;

ΨΑΧΝΟΝΤΑΣ  ΤΑ  ΑΞΙΟΝΙΑ  ΜΕ  ΤΟ  ΠΕΙΡΑΜΑ AMDX. 
 

Ένα  πείραμα που προσπαθεί να ανιχνεύσει αξιόνια μέσω του μετασχηματισμού τους σε φως είναι το Axion Dark Matter eXperiment (ADMX). Το πείραμα είναι εγκατεστημένο στο Κέντρο Πειραματικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Washington. Αν τα αξιόνια έχουν πολύ μικρές μάζες, τότε αξιόνια από τη γαλαξιακή άλω θα μπορούσαν να μετατρέπονται σε φως στην περιοχή των μικροκυμάτων. Τα μικροκύματα αυτά μπορούν να ανιχνευτούν από τη διάταξη του ADMX.  Συγκεκριμένα, μια πρόσφατη αναβάθμιση του πειράματος εστιάζει στην ανίχνευση αξιονίων με μάζα από 10 μeV μέχρι 100 μeV.

Χάρη σε εξελιγμένους αλγόριθμους που έτρεξαν σε υπερυπολογιστή, ευρωπαίοι ερευνητές υπολόγισαν τη μάζα που μπορεί να έχει το «αξιόνιο», ένα υποθετικό συστατικό της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης, η οποία αντιστοιχεί στο 23% της μάζας του Σύμπαντος. Μόνο που ο μεγαλύτερος ανιχνευτής για την ανίχνευση αξιονίων δεν είναι σχεδιασμένος να λειτουργεί σε αυτό το εύρος μάζας.

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

Ο ανιχνευτής ADMX, σχεδιάστηκε 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.

Το πρόβλημα είναι ότι ο  σχεδιασμός 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 δυνατότητες του ADMX, όπως αναφέρει ο δικτυακός τόπος του περιοδικού.

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.

Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα προκειμένου να κατανοήσουμε τις ιδιότητες αυτού του μυστηριώδους σωματιδίου και να διαμορφώσουμε στρατηγικές για την ανίχνευσή του.  Πιθανόν  το αξιόνιο να εμφανίστηκε λίγο πιο νωρίς στην ιστορία του Σύμπαντος, πριν από μια φάση  της  απότομης διόγκωσης που ονομάζεται πληθωρισμός.

ΤΑ  ΑΞΙΟΝΙΑ  ΕΙΝΑΙ  ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ - ΚΥΜΑΤΑ  ΜΕ  ΜΗΚΟΣ  3.200  ΕΤΗ  ΦΩΤΟΣ;

 

Όμως μια άλλη θεωρητική μελέτη που εμφανίστηκε στον ιστότοπο arxiv.org , υποστηρίζει ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να εξηγηθεί με εντελώς διαφορετικά αξιόνια, ένα είδος εξαιρετικά ελαφρών μποζονίων που απορρέουν από την θεωρία των χορδών. Εκτιμάται ότι η μάζα των υποψηφίων σωματιδίων σκοτεινής ύλης είναι m~10-22 eV ή 10−31GeV (γιγα-ηλεκτρονιοβολτ), μια μικροσκοπική μάζα σε σχέση με τα σωματίδια που αναζητούνται στον LHC.

Το μήκος κύματος de Broglie είναι λ~1 kiloparsec ή 3200 έτη φωτός!

Σωματίδια με τόσο μεγάλο μήκος κύματος προκαλούν νέα φαινόμενα και δεν είναι δυνατόν να ανιχνευτούν από επίγειους ανιχνευτές ή να παραχθούν σε επιταχυντές.

Η ιδέα ονομάζεται «FDM», από το «Fuzzy Dark Matter» (ασαφής σκοτεινή ύλη). Υποθέτουν ένα υπερ-ελαφρύ μποζόνιο, με σχεδόν μηδενική μάζα, το οποίο θα μπορούσε να είναι υπεύθυνο για την σκοτεινή ύλη που αποτελεί το 23% του περιεχομένου του σύμπαντος.

Οι συγγραφείς επισημαίνουν τις συνέπειες της ύπαρξης αυτού του γιγαντιαίου μήκους κύματος στην σωματιδιακή φυσική, αλλά και το πως θα μπορούσε να ανιχνευθεί πειραματικά, από τηλεσκόπια (!) κι όχι σε επιταχυντές όπως ο LHC.

Επιπλέον γίνεται αναφορά στον Fornax (Κάμινος), έναν γαλαξία-νάνο, δορυφόρο του δικού μας γαλαξία, που φαίνεται να διαθέτει σφαιρωτά σμήνη τα οποία δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν εκεί, αν η σκοτεινή ύλη στον γαλαξία ήταν το «συνηθισμένο» είδος που προβλέπεται από το παράδειγμα της ψυχρής σκοτεινής ύλης (CDM). Το νέο μοντέλο της σκοτεινής ύλης (FDM) περιγράφει πολύ καλύτερα αυτό το περίεργο σύστημα.

ΜΙΑ  ΠΡΟΧΩΡΗΜΕΝΗ  ΕΡΕΥΝΑ  ΓΙΑ  ΤΗΝ  ΥΛΗ.   

ΤΙ  ΕΙΝΑΙ  ΤΟ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ  ΕΝΑ  ΠΡΩΤΟΝΙΟ;

 

Η πραγματική εικόνα του εσωτερικού του πρωτονίου. Ένα χαοτικό σύνολο απειράριθμων εικονικών σωματιδίων. Γι αυτό και είναι δύσκολη η πρόβλεψη τι θα συμβεί στις συγκρούσεις μεταξύ των πρωτονίων στον επιταχυντή LHC

Το πρωτόνιο δεν αποτελείται μόνο από τρία κουάρκ, αλλά περιέχει και γλουόνια όπως και ένα χαοτικό σύνολο απειράριθμων εικονικών σωματιδίων (κουάρκ, αντικουάρκ και γλουόνια) που αναδύονται από το κενό και κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, για να εξαφανιστούν σε μικροσκοπικά κλάσματα του δευτερολέπτου.

Κάθε πρωτόνιο (ή νετρόνιο) αποτελείται (ή νομίζουμε ότι αποτελείται) από τρία κουάρκ – αλλά οι μεμονωμένες μάζες αυτών των τριών κουάρκ αποτελούν έως το 1% περίπου της μάζας του πρωτονίου μόνο. Από πού προέρχεται το υπόλοιπο τμήμα της μάζα του;

Η θεωρία λέει ότι έχει δημιουργηθεί από την δύναμη, που συνδέει μαζί τα κουάρκ, δηλαδή την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Από κβαντική άποψη, η ισχυρή δύναμη μεταφέρεται από ένα πεδίο εικονικών σωματιδίων που ονομάζονται γλουόνια, που τυχαία αναδύονται στον υπαρκτό κόσμο και μετά εξαφανίζονται. Η ενέργεια λοιπόν αυτών των διακυμάνσεων του κενού πρέπει να συμπεριληφθούν στη συνολική μάζα των πρωτονίων και νετρονίων.

ΤΙ  ΕΙΝΑΙ  Η  ΚΒΑΝΤΙΚΗ  ΧΡΩΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ;

 

Η ισχυρή δύναμη περιγράφεται από τις εξισώσεις της κβαντικής χρωμοδυναμικής (QCD), που είναι πολύ δύσκολο να επιλυθούν στις περισσότερες περιπτώσεις.

Έτσι οι φυσικοί έχουν αναπτύξει μια μέθοδο που ονομάζεται πλεγματική κβαντική χρωμοδυναμική, που αναπαράγουν τον ομαλό χώρο και χρόνο ως ένα πλέγμα από επιμέρους σημεία σαν ένα δίκτυο. Αυτή η προσέγγιση του συνεχούς χώρου και χρόνου με πίξελ επιτρέπει την πολυπλοκότητα της ισχυρής δύναμης να εξομοιώνεται κάπως με ηλεκτρονικό υπολογιστή.

Μέχρι πρόσφατα, οι υπολογισμοί της πλεγματικής QCD συγκεντρώνονταν μόνο στα εικονικά γκλουόνια, και αγνοούνταν μια άλλη σημαντική συνιστώσα του κενού: τα ζεύγη των εικονικών κουάρκ και αντικουάρκ.

Τα ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ μπορεί να αναδυθούν και στιγμιαία να μετασχηματίσουν ένα πρωτόνιο σε ένα διαφορετικό, πιο εξωτικό σωματίδιο. Στην πραγματικότητα, το αληθινό πρωτόνιο είναι το άθροισμα όλων αυτών των δυνατοτήτων που έχουν τα ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ να εξελιχθούν.

Τα εικονικά κουάρκ κάνουν τους υπολογισμούς πολύ πιο περίπλοκους, με τη συμμετοχή ενός πίνακα πάνω από 10.000 τρισεκατομμύρια αριθμούς.  Γι αυτό και δεν υπάρχει κανένας υπολογιστής στη Γη που θα μπορούσε ενδεχομένως να αποθηκεύσει τόσο μεγάλη μήτρα (πίνακα) στη μνήμη του.

Αρκετές ομάδες έχουν δουλέψει με τους δικούς τους τρόπους για να χειριστούν αυτά τα τεχνικά προβλήματα, και μάλιστα πριν από εννέα χρόνια μια ομάδα με επικεφαλής την Christine Davies του πανεπιστημίου της Γλασκώβης, κατάφερε να υπολογίσει τη μάζα του εξωτικού σωματιδίου B_c μεσόνιου.

Αυτό το σωματίδιο περιλαμβάνει μόνο δύο κουάρκ, κάνοντας έτσι πιο απλή την προσομοίωση από όσο το πρωτόνιο με τα τρία κουάρκ. Για να αντιμετωπίσει τα πρωτόνια και νετρόνια, η ομάδα του Stephan Dürr του Ινστιτούτου John von Neumann στη Γερμανία, χρησιμοποίησε σύνολο χρόνου περισσότερο από ένα έτος σε ένα δίκτυο υπολογιστών στο Jülich, που μπορεί να χειριστεί 200 teraflops – ή 200 τρισεκατομμύρια αριθμητικούς υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο.

Ακόμα και με τόση ταχύτητα, έπρεπε να προσαρμόσουνε τον κώδικα  για να χρησιμοποιήσουν πιο αποτελεσματικά το δίκτυο.

Δίχως να υπολογίσουν τα κουάρκ, οι παλαιότερες προσομοιώσεις έκαναν ένα λάθος στη μάζα των πρωτονίων περίπου 10%. Μαζί με αυτά, ο Dürr μείωσε το λάθος στο 2% από την τιμή που μετρήθηκε στα πειράματα.

Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η μάζα ενός νουκεονίου (ο υπολογισμός δεν μπορεί να γίνει διάκριση μεταξύ πρωτονίου και νετρονίου) είναι 936 MeV/C2 με στατιστικές και συστηματικές αβεβαιότητες  ± 25 και ± 22 MeV/C2 αντίστοιχα. Η γνωστή μάζα των πρωτονίων και νετρονίων είναι 938 και 940 MeV/C2 αντίστοιχα.

Η ομάδα είναι επίσης σε θέση να χρησιμοποιήσει την τεχνική αυτή για να υπολογίσει τη μάζα δύο μεσονίων και επτά βαρύτερων βαρυονίωνs.

 "Το μεγάλο γεγονός είναι ότι το αποτέλεσμα δείχνει ότι μπορείτε να φτάσετε κοντά στα πειράματα", λέει η Davies. "Τώρα που γνωρίζουμε ότι η πλεγματική κβαντική χρωμοδυναμική δουλεύει, θέλουμε να γίνουν ακριβείς υπολογισμοί των ιδιοτήτων των σωματιδίων, δεν πρόκειται μόνο για τη μάζα."

Αυτό θα επιτρέψει στους φυσικούς να δοκιμαστεί η QCD, και να αναζητήσουν για φαινόμενα, πέραν της γνωστής φυσικής. Για τώρα, οι υπολογισμοί του Stephan Dürr δείχνουν ότι η QCD περιγράφει τα σωματίδια με βάση τα κουάρκ με ακρίβεια, και μας λέει ότι η περισσότερη από τη μάζα μας προέρχεται από τα εικονικά κουάρκ και γκλουόνια που αναβράζουν στο κβαντικό κενό.

Το πεδίο Higgs υπάρχει η άποψη πως έχει μια μικρή συμβολή στη μάζα, δίνοντας βάρος στα ατομικά κουάρκ καθώς και σε ηλεκτρόνια όπως και σε κάποια άλλα σωματίδια. Το πεδίο Higgs δημιουργεί μάζα από το ίδιο το κβαντικό κενό, με τη μορφή των εικονικών μποζονίων Higgs.

Έτσι αν η  μελλοντική  έρευνα επιβεβαιώσει πλήρως  ότι το Higgs υπάρχει  πράγματι, αυτό  θα σημαίνει ότι  όλα στον Κόσμο μας είναι μια εικονική πραγματικότητα.

Ενώ ο υπολογισμός της μάζας του πρωτονίου φαίνεται σχεδόν συντριπτικά ακριβής, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι με την εργασία αυτή είναι δυνατόν να κάνουν σημαντικές προβλέψεις για το ρόλο της ισχυρής δύναμης στο σωματίδιο Higgs.

 Για παράδειγμα η CP παραβίαση συνήθως συνδέεται με την ασθενή δύναμη μεταξύ των κουάρκ, αλλά τα κουάρκ πάντα αλληλεπιδρούν ισχυρά, με αποτέλεσμα να πρέπει επίσης να εξεταστεί η ισχυρή δύναμη. Το πείραμα LHCb   στον επιταχυντή LHC προτίθεται να διερευνήσει αυτές τις διαδικασίες για την CP παραβίαση ή ακόμη και νέα φυσικά φαινόμενα. Η  ερμηνεία των αποτελεσμάτων θα απαιτήσει ακριβείς υπολογισμοί των ιδιοτήτων των σωματιδίων που περιέχουν το bottom quark.

 

ΖΗΝΩΝ  ΠΑΠΑΖΑΧΟΣ

 

 

 

 

 


Διαβάστε  και  τα  άρθρα:


 Ο ΜΑΚΕΔΟΝΑΣ ΦΥΣΙΚΟΣ, Ο ΠΡΩΤΟΠΟΡΟΣ ΕΡΕΥΝΗΤΗΣ ΤΗΣ ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ ΥΛΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ ΣΕΜΕΡΤΖΙΔΗΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΣΤΗΝ ΚΟΡΕΑ 

Ο ΑΪΝΣΤΑΪΝ ΕΚΛΕΨΕ ΤΟΝ ΤΥΠΟ Ε=Μ.C² ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΥΣΤΡΙΑΚΟ ΦΥΣΙΚΟ ΦΡΙΤΣ ΧΑΖΕΝΕΡΛ (Fritz Hasenöhrl). 

Η ΑΝΤΙΥΛΗ ΚΑΙ Η ΠΤΗΣΗ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΣΤΑ ΑΣΤΡΑ. Α΄ ΜΕΡΟΣ 

ΝΕΩΤΕΡΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΝΤΙΥΛΗΣ ΚΑΙ Η ΠΤΗΣΗ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΣΤΑ ΑΣΤΡΑ. ΣΤ΄ ΜΕΡΟΣ. 


 ΤΑ ΔΕΚΑ ΜΥΣΤΗΡΙΑ ΤΟΥ ΧΩΡΟΧΡΟΝΟΥ ΠΟΥ ΘΑ ΜΠΟΡΟΥΣΕ  ΝΑ  ΛΥΣΕΙ  Η  ΚΒΑΝΤΙΚΗ  ΒΑΡΥΤΗΤΑ....


 
Η ΑΙΩΝΙΑ ΖΩΗ ΚΑΡΚΙΝΙΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ. ΤΑ ΑΘΑΝΑΤΑ ΑΝΘΡΩΠΙΝΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΠΟΥ ΔΙΑΤΗΡΟΥΜΕ ΣΤΑ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ. ΠΟΙΟ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΜΥΣΤΙΚΟ ΤΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΑΣ;