Σκοτεινή ύλη:Έξω με τα WIMP, μέσα με τα SIMP;
Όπως οι μπάτσοι που παρακολουθούν το λάθος άτομο, οι φυσικοί που επιδιώκουν να εντοπίσουν τη σκοτεινή ύλη - το μυστηριώδες υλικό του οποίου η βαρύτητα φαίνεται να δεσμεύει τους γαλαξίες - μπορεί να καταδίωκαν το λάθος σωματίδιο. Στην πραγματικότητα, ένα σωματίδιο με κάποιες ιδιότητες αντίθετες με αυτές του τρέχοντος αγαπημένου υποψηφίου της σκοτεινής ύλης των φυσικών -το ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικό σωματίδιο, ή WIMP- θα έκανε εξίσου καλή δουλειά στην εξήγηση των πραγμάτων, λέει μια τετράδα θεωρητικών. Υποθετικά ισχυρά αλληλεπιδρώντα τεράστια σωματίδια —ή SIMPs— θα μπορούσαν επίσης να εξηγήσουν καλύτερα ορισμένες αστροφυσικές παρατηρήσεις, υποστηρίζουν.
«Ψάχναμε για WIMP εδώ και αρκετό καιρό, αλλά δεν τα έχουμε βρει ακόμα, επομένως νομίζω ότι είναι σημαντικό να σκεφτόμαστε έξω από το κουτί», λέει ο Yonit Hochberg, θεωρητικός στο Lawrence Berkeley National Laboratory και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. (UC), Berkeley, και ένας συγγραφέας της νέας εργασίας.
Οι θεωρητικοί ονειρεύτηκαν WIMP πριν από 30 χρόνια για να εξηγήσουν γιατί οι γαλαξίες δεν πετούν απλά. Τα σωματίδια θα έχουν μάζα μεταξύ μίας και 1000 φορές μεγαλύτερης αυτής ενός πρωτονίου και, εκτός από τη βαρύτητα, θα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με τη συνηθισμένη ύλη μόνο μέσω της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, μιας από τις δύο δυνάμεις της φύσης που κανονικά ασκούνται μόνο σε τον ατομικό πυρήνα.
Το νηπιακό σύμπαν θα είχε δημιουργήσει έναν τεράστιο αριθμό WIMP καθώς τα υποατομικά σωματίδια συγκρούονταν το ένα πάνω στο άλλο. Μερικά από αυτά τα WIMP θα εξαφανίζονταν στη συνέχεια όταν δύο από αυτά συγκρούονταν και εξαφανίζονταν το ένα το άλλο για να παράγουν δύο συνηθισμένα σωματίδια. Καθώς το σύμπαν επεκτεινόταν, τέτοιες συγκρούσεις θα γίνονταν όλο και πιο σπάνιες και, δεδομένης της δύναμης της αδύναμης δύναμης, αρκετά WIMP θα επιβίωναν για να παρέχουν τη σωστή ποσότητα σκοτεινής ύλης σήμερα - περίπου πέντε φορές αυτή της συνηθισμένης ύλης. Αυτή η σύμπτωση, ή το «θαύμα WIMP», έχει κάνει τα WIMP αγαπημένα των θεωρητικών, ακόμα κι αν οι πειραματιστές δεν τα έχουν εντοπίσει ακόμη.
Ωστόσο, ο Hochberg και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε επίσης να αποτελείται από ελαφρύτερα σωματίδια που έχουν μάζα περίπου στο ένα δέκατο αυτής του πρωτονίου και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους —αλλά όχι με τη συνηθισμένη ύλη— πολύ έντονα. Τέτοια SIMP θα έλκονται το ένα πάνω στο άλλο σχεδόν τόσο δυνατά όσο τα κουάρκ σε ένα πρωτόνιο, τα οποία προσκολλώνται το ένα στο άλλο τόσο έντονα που είναι αδύνατο να απομονωθεί ένα κουάρκ.
Τα SIMP μπορούν επίσης να παρέχουν ακριβώς τη σωστή ποσότητα σκοτεινής ύλης, υποθέτοντας ότι οι θεωρητικοί προσθέτουν μερικές ρυτίδες. Τα SIMP πρέπει να εξαφανιστούν κυρίως μέσω συγκρούσεων στις οποίες μπαίνουν τρία SIMP και βγαίνουν μόνο δύο SIMP. Αυτά τα συμβάντα πρέπει να είναι πιο κοινά από εκείνα στα οποία δύο SIMP εξαφανίζονται μεταξύ τους για να παράγουν δύο συνηθισμένα σωματίδια. Επιπλέον, υποστηρίζουν οι θεωρητικοί, τα SIMP πρέπει να αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη, αν και πολύ πιο αδύναμα από τα WIMP. Αυτό συμβαίνει επειδή οι συγκρούσεις τρεις προς δύο θα ζέσταναν τα SIMP εάν δεν μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν και να μοιραστούν τη θερμότητα με τη συνηθισμένη ύλη.
Αυτό μπορεί να φαίνεται πολύ να ρωτάς, αλλά αυτές οι προϋποθέσεις είναι εύκολο να ικανοποιηθούν εφόσον τα SIMP δεν είναι πολύ βαριά, λέει ο Hochberg. Έτσι, το θαύμα WIMP θα μπορούσε εύκολα να αντικατασταθεί με ένα θαύμα SIMP, όπως αναφέρει η ομάδα αυτόν τον μήνα στο Physical Review Letters .
Επιπλέον, το γεγονός ότι τα SIMP πρέπει να αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη εγγυάται ότι, κατ' αρχήν, θα πρέπει να είναι ανιχνεύσιμα με κάποιο τρόπο, λέει ο Hochberg. Ενώ οι φυσικοί αναζητούν τώρα σημάδια σύγκρουσης WIMP με τεράστιους ατομικούς πυρήνες, οι ερευνητές πιθανότατα θα πρέπει να ψάξουν για SIMP που χτυπούν ελαφρύτερα ηλεκτρόνια, επειδή τα σωματίδια μικρού βάρους δεν θα είχαν αρκετή διάτρηση για να στείλουν έναν πυρήνα να πετάξει.
Σε σύγκριση με τη σκοτεινή ύλη WIMPy, η σκοτεινή ύλη SIMPy θα είχε επίσης μια άλλη επιθυμητή ιδιότητα. Καθώς το σύμπαν εξελισσόταν, η σκοτεινή ύλη συγχωνεύτηκε σε συστάδες, ή άλως, στις οποίες στη συνέχεια σχηματίστηκαν οι γαλαξίες. Αλλά οι προσομοιώσεις υπολογιστή υποδηλώνουν ότι η σκοτεινή ύλη που δεν αλληλεπιδρά με τον εαυτό της θα σχηματίσει μυριάδες μικρές συστάδες που είναι πολύ πυκνές στο κέντρο. Και οι μικροί «νάνοι γαλαξίες» δεν είναι τόσο άφθονοι και τα κέντρα των γαλαξιών δεν είναι τόσο πυκνά όσο υποδηλώνουν οι προσομοιώσεις. Αλλά η ισχυρή αλληλεπίδραση της σκοτεινής ύλης θα εξομαλύνει την κατανομή της σκοτεινής ύλης και θα έλυνε αυτά τα προβλήματα, λέει ο Hochberg. «Αυτό δεν είναι κάποιο ανεξάρτητο πράγμα που μόλις επιβάλαμε στο μοντέλο», λέει. "Συμβαίνει φυσικά."
Η νέα ανάλυση «έχει τη γεύση του θαύματος WIMP, το οποίο είναι ωραίο», λέει ο Jonathan Feng, θεωρητικός στο UC Irvine που δεν συμμετείχε στη δουλειά. Ο Φενγκ λέει ότι εργάζεται σε παρόμοιες ιδέες και ότι η ικανότητα να συμβιβάζει τις διαφορές μεταξύ των προσομοιώσεων της σκοτεινής ύλης και των παρατηρούμενων ιδιοτήτων των γαλαξιών καθιστά την έντονα αλληλεπιδραστική σκοτεινή ύλη ελκυστική εννοιολογικά.
Ωστόσο, προειδοποιεί, μπορεί να είναι πιθανό, όσο αδύναμες κι αν είναι, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ της σκοτεινής και της συνηθισμένης ύλης να εξομαλύνουν την κατανομή της σκοτεινής ύλης από μόνες τους. Και ο Φενγκ λέει ότι έχει κάποιες αμφιβολίες σχετικά με τον ισχυρισμό ότι τα SIMP πρέπει να αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη αρκετά έντονα ώστε να ανιχνεύονται. Έτσι, το SIMP πιθανότατα δεν θα απορρίψει το WIMP από την κούρνια του ως την καλύτερη εικασία για το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης, λέει ο Feng:"Προς το παρόν, δεν έχει τόσο καλά κίνητρα όσο το WIMP, αλλά σίγουρα αξίζει να το εξερευνήσετε."
