Ο ανιχνευτής κοσμικών ακτίνων δύο δισεκατομμυρίων δολαρίων επιβεβαιώνει πιθανά σημάδια της σκοτεινής ύλης

Τα πρώτα αποτελέσματα από έναν τεράστιο -και εξαιρετικά αμφιλεγόμενο- ανιχνευτή κοσμικής ακτίνας στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό επιβεβαιώνουν μια προηγουμένως αναφερθείσα περίσσεια αντισωματιδίων από το διάστημα. Οι αναγνώσεις από το Άλφα Μαγνητικό Φασματόμετρο (AMS) 2 δισεκατομμυρίων δολαρίων θα μπορούσαν να είναι σημάδια σωματιδίων μυστηριώδους σκοτεινής ύλης που εξαφανίζονται το ένα το άλλο στο μελανό κενό. Ή θα μπορούσαν να είναι απλώς υποατομικά καυσαέρια από ένα πάλσαρ ή κάποιο άλλο αστρονομικό αντικείμενο.

Τα αποτελέσματα αναφέρθηκαν σήμερα κατά τη διάρκεια ενός σεμιναρίου στο Ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής, CERN, κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, από τον Samuel C. C. Ting, έναν 77χρονο βραβευμένο με Νόμπελ σωματιδιακό φυσικό και τη δύναμη πίσω από το AMS. Τακτοποιούν το ερώτημα εάν υπάρχει η δελεαστική υπερβολή. «Αυτό είναι που με έπεισε ότι αυτό είναι αληθινό», λέει ο Stéphane Coutu, ένας φυσικός κοσμικών ακτίνων στο Πανεπιστήμιο της Πολιτείας της Πενσυλβάνια, University Park, ο οποίος δεν εργάζεται στο AMS. Ωστόσο, ο Coutu προειδοποιεί, "τι σημαίνει δεν θα είναι ξεκάθαρο για κάποιο χρονικό διάστημα."

Βιδωμένο στο εξωτερικό του διαστημικού σταθμού στις 19 Μαΐου 2011, το AMS ανίχνευσε 30 δισεκατομμύρια κοσμικές ακτίνες και μέτρησε την αναλογία των αντιηλεκτρονίων, ή ποζιτρονίων, προς τον συνολικό αριθμό ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Σύμφωνα με την τυπική αστροφυσική, αυτό το «κλάσμα ποζιτρονίων» πρέπει να είναι μικρό και να πέφτει καθώς αυξάνεται η ενέργεια. Αυτό συμβαίνει επειδή πηγές όπως τα αστέρια που εκρήγνυνται μπορούν να αντλήσουν άφθονα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας, ενώ τα ποζιτρόνια υψηλής ενέργειας συνήθως προκύπτουν λιγότερο συχνά, μέσω των συγκρούσεων των κοσμικών ακτίνων. Αντίθετα, οι επιστήμονες της AMS διαπιστώνουν ότι το κλάσμα ποζιτρονίων αυξάνεται από περίπου 5% σε ενέργεια 10 giga-ηλεκτρον βολτ (GeV) σε περισσότερο από 15% σε ενέργεια 35 φορές μεγαλύτερη.

Τέτοια υπερβολή είχε ξαναδει. Τον Απρίλιο του 2009, ερευνητές με ένα ιταλικό δορυφορικό πείραμα που ονομάζεται Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (PAMELA) ανέφεραν παρόμοια αποτελέσματα. Τα αντίστοιχά τους με το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi Gammaray της NASA που βρίσκεται σε τροχιά ανέφεραν σχεδόν το ίδιο πράγμα τον Ιανουάριο του 2012. Αλλά καμία από τις μετρήσεις δεν έλυσε την υπόθεση. Η PAMELA δεν είχε συστήματα για τον προσδιορισμό του τύπου του σωματιδίου, έτσι ορισμένοι ερευνητές ανησυχούσαν ότι παρερμηνεύει τα πρωτόνια με τα ποζιτρόνια. Ο Fermi σχεδιάστηκε για να μετράει αφόρτιστα σωματίδια, επομένως για να γίνει διάκριση μεταξύ ποζιτρονίων και ηλεκτρονίων, οι ερευνητές έπρεπε να βασιστούν στο μαγνητικό πεδίο της Γης για να κάμψουν τις διαδρομές των σωματιδίων, μια τεχνική με καρό ιστορία.

Η AMS μέτρησε το κλάσμα ποζιτρονίων σε υψηλότερες ενέργειες και με ακρίβεια που δεν ταίριαζε με κανένα προηγούμενο πείραμα. «Είμαι χαρούμενος που το AMS επιβεβαιώνει ότι υπάρχει περίσσεια ποζιτρονίων», λέει ο Gregory Tarlé, ένας φυσικός κοσμικών ακτίνων στο Πανεπιστήμιο του Michigan, Ann Arbor, ο οποίος εργάστηκε στο τηλεσκόπιο αντιύλης υψηλής ενέργειας, ένα πείραμα που μεταφέρεται με μπαλόνια που εντόπισε περίσσεια ποζιτρόνια στο κάτω άκρο του ενεργειακού εύρους το 2001.

Τι δημιούργησε όμως την περίσσεια; Η πιο συναρπαστική πιθανότητα είναι ότι τα ποζιτρόνια προέρχονται από τη σκοτεινή ύλη, το μυστηριώδες υλικό του οποίου η βαρύτητα δεσμεύει τους γαλαξίες. Σύμφωνα με δημοφιλείς θεωρίες, η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να αποτελείται από ασθενώς αλληλεπιδρώντα τεράστια σωματίδια ή WIMP. Όταν δύο WIMP συγκρούονται, θα μπορούσαν να εξαφανιστούν μεταξύ τους για να παραχθεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, με την ενέργεια αυτών των σωματιδίων να περιορίζεται από τη μάζα του WIMP. Σε αυτή την περίπτωση, το κλάσμα ποζιτρονίων θα πρέπει να αυξηθεί και μετά να πέσει ξανά πέρα ​​από μια ορισμένη ενέργεια «αποκοπής». Οι ερευνητές του AMS βλέπουν δελεαστικές ενδείξεις ότι το κλάσμα ποζιτρονίων πέφτει στα 250 GeV, υποδηλώνοντας ότι μια αποκοπή παραμονεύει στον ενεργειακό ορίζοντα.

Ωστόσο, η περίσσεια ποζιτρονίων μπορεί να προκύψει από άλλους, πιο κοσμικούς αστροφυσικούς μηχανισμούς, λέει ο Coutu. Για παράδειγμα, ένα κοντινό αστέρι νετρονίων που εκπέμπει ακτινοβολία που ονομάζεται πάλσαρ θα μπορούσε να εκτοξεύσει ενεργητικά ποζιτρόνια. Έτσι, παρόλο που η περίσσεια ποζιτρονίων φαίνεται να είναι πραγματική, δεν είναι ένα όπλο που καπνίζει για τη σκοτεινή ύλη, λέει.

Ο Ting και οι 600 συνάδελφοί του στο AMS αναγνωρίζουν το θέμα. Μάλιστα, σε μια προσεκτικά διατυπωμένη εργασία που υποβλήθηκε στο Physical Review Letters , δεν αναφέρουν τη σκοτεινή ύλη, παραπέμποντας αντ' αυτού σε «νέα φυσικά φαινόμενα». Αλλά υποστηρίζουν επίσης σε ένα δελτίο τύπου ότι με περισσότερα δεδομένα, το AMS θα είναι σε θέση να μετρήσει το ακριβές σχήμα του φάσματος σε υψηλότερες ενέργειες και να προσδιορίσει εάν η περίσσεια προέρχεται από συγκρούσεις σκοτεινής ύλης ή από αστροφυσική πηγή. Οι φυσικοί των κοσμικών ακτίνων αμφιβάλλουν ότι αυτό είναι δυνατό, ακόμα κι αν το AMS δει ένα ξεκάθαρο όριο. «Είναι πολύ εύκολο να βάλεις ένα όριο σε ένα αστροφυσικό μοντέλο», λέει ο Tarlé. "Το μόνο που έχετε να κάνετε είναι να περιορίσετε το μέγεθος της περιοχής που επιταχύνει τα σωματίδια."

Παρά την αβεβαιότητα, τα αποτελέσματα σηματοδοτούν έναν θρίαμβο για τον Ting, ο οποίος όλοι εκτός από το θέλησαν το AMS σε τροχιά. Προτάθηκε το 1994, ο ανιχνευτής πραγματοποίησε μια δοκιμαστική πτήση στο διαστημικό λεωφορείο της NASA το 1998. Αλλά φάνηκε μόνιμα προσγειωμένος μετά την αποσύνθεση του λεωφορείου Columbia κατά την επανεισαγωγή το 2003, και η NASA επανεξέτασε το πρόγραμμα του λεωφορείου. Ο Τινγκ εργάστηκε ακούραστα και το 2008 εξασφάλισε εντολή του Κογκρέσου να εκτοξεύσει η NASA το AMS στον διαστημικό σταθμό. (Το έγγραφο της AMS αναγνωρίζει εννέα νυν και πρώην γερουσιαστές και εκπροσώπους για τη βοήθειά τους.) Μέχρι την εκτόξευση, το κόστος της AMS είχε αυξηθεί από δεκάδες εκατομμύρια δολάρια σε δισεκατομμύρια—αν και ορισμένοι παρατηρητές λένε ότι ο Ting κάνει το AMS να ακούγεται όσο το δυνατόν πιο ακριβό για να τονίσει τον τρόπο Πολλές χώρες όπως η Κίνα, η Νότια Κορέα και η Ταϊβάν έχουν συμβάλει σε αυτό.

Αυτά τα μνημειώδη κόστη εξακολουθούν να κάνουν ορισμένους ερευνητές των κοσμικών ακτίνων να κουνάνε το κεφάλι τους με απογοήτευση. Ο Tarlé λέει ότι είναι χαρούμενος που η AMS επιβεβαίωσε τα προηγούμενα αποτελέσματα. Αλλά, λέει, «δεν είμαι χαρούμενος που κόστισε στον κόσμο 2 δισεκατομμύρια δολάρια, για να μην αναφέρουμε το κόστος της επιπλέον πτήσης με λεωφορείο». Η διαμάχη γύρω από το AMS φαίνεται βέβαιο ότι θα συνεχιστεί.