Ο διαστημικός μαγνήτης περιέχει στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη
Ένας δαπανηρός και αμφιλεγόμενος ανιχνευτής κοσμικών ακτίνων που βασίζεται στο διάστημα έχει βρει πιθανά σημάδια της σκοτεινής ύλης, του αόρατου υλικού που πιστεύεται ότι παρέχει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του σύμπαντος. Έτσι λέει ο Samuel Ting, σωματιδιακός φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στο Κέιμπριτζ και επικεφαλής του Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), το οποίο βρίσκεται σκαρφαλωμένο στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS).
Ωστόσο, ο χρόνος για τον ανιχνευτή γήρανσης τελειώνει και πολλοί ερευνητές είναι δύσπιστοι σχετικά με την ερμηνεία της σκοτεινής ύλης, την οποία ο Τινγκ χορεύει με τυπική αγανάκτηση. "Αν ακούσετε την ιστορία, ακούγεται ότι προς τα εκεί κατευθυνόμαστε, αλλά ποτέ δεν φτάνουμε ακριβώς εκεί", λέει η Angela Olinto, ένας φυσικός κοσμικών ακτίνων στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο στο Ιλινόις.
Ο συννικητής του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής το 1976, ο Ting, 83 ετών, πέταξε σε όλο τον κόσμο για να συγκεντρώσει 1,5 δισεκατομμύρια δολάρια για το AMS και ζήτησε από τη NASA και το Υπουργείο Ενέργειας (DOE) να το υποστηρίξουν. Αφού οι αστροναύτες βίδωσαν τον ανιχνευτή 8.500 κιλών, σε σχήμα ντόνατ στον ISS τον Μάιο του 2011, άρχισε να μετράει τη μάζα, το φορτίο και την ενέργεια των δισεκατομμυρίων κοσμικών ακτίνων -φορτισμένων σωματιδίων από το διάστημα- που περνούν το μαύ του. Σχεδόν όλα είναι πρωτόνια, ηλεκτρόνια και ελαφροί πυρήνες όπως το ήλιο, αλλά μερικά πολύτιμα αποτελούνται από σωματίδια αντιύλης όπως τα ποζιτρόνια. Ξεχωρίζουν επειδή, στο μαγνητικό πεδίο του AMS, οι διαδρομές τους κάμπτονται προς την αντίθετη κατεύθυνση από εκείνες των αντίστοιχων υλικών τους.
Το 2014, οι ερευνητές της AMS ανέφεραν μια απροσδόκητη ροή ποζιτρονίων που έμπαινε σε ενέργειες άνω των 10 giga-ηλεκτρον βολτ (GeV) και φαινόταν να εξασθενεί κατά περίπου 300 GeV. Η περίσσεια θα μπορούσε να προέλθει από τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που συγκρούονται και εξαφανίζονται το ένα το άλλο για να παράγουν ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων και η ενέργεια της πτώσης μπορεί να δείχνει τη μάζα των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. Τώρα, με τριπλάσια δεδομένα, οι ερευνητές της AMS έχουν ξεκάθαρα επιλύσει αυτή την ενεργειακή αποκοπή. Η περίσσεια ποζιτρονίων ξεκινά από τα 25 GeV και μειώνεται απότομα στα 284 GeV, ανέφερε η ομάδα 227 μελών της AMS την περασμένη εβδομάδα στο Physical Review Letters . «Είναι σημαντικό γιατί αρχίζεις να βλέπεις μια ανατροπή» στο ενεργειακό φάσμα, λέει ο Olinto. Η αποκοπή είναι συνεπής με σωματίδια βαριάς σκοτεινής ύλης με μάζα περίπου 800 GeV, αναφέρουν οι ερευνητές.
Το έγγραφο AMS αναγνωρίζει ότι η εξάλειψη της σκοτεινής ύλης είναι μόνο μια πιθανή εξήγηση για τα ποζιτρόνια. Θα μπορούσαν επίσης να προέρχονται από ένα εγκόσμιο αστροφυσικό αντικείμενο, όπως ένα πάλσαρ - ένα περιστρεφόμενο αστέρι νετρονίων. Αλλά ο Τινγκ τονίζει την απότομη κλίση της αποκοπής. "Η αποκοπή πηγαίνει επίσης πολύ γρήγορα, πολύ παρόμοια με [το σήμα από] συγκρούσεις σκοτεινής ύλης", λέει.
Σε μια τρίτη πιθανότητα, τα ποζιτρόνια θα μπορούσαν να προέρχονται από τις αλληλεπιδράσεις των ίδιων των κοσμικών ακτίνων. Πρωτόνια κοσμικής ακτίνας που αναδύονται από υπολείμματα εκρήξεων σουπερνόβα προσκρούουν τακτικά σε ατομικούς πυρήνες στο διαστρικό διάστημα για να δημιουργήσουν «δευτερεύουσες» κοσμικές ακτίνες, συμπεριλαμβανομένων των ποζιτρονίων. Οι ερευνητές του AMS λένε ότι έχουν αποκλείσει αυτή την εξήγηση για το σήμα, επειδή οι συγκρούσεις πρωτονίων θα πρέπει να παράγουν μια μακριά ουρά στο φάσμα των ποζιτρονίων αντί για μια απότομη πτώση. Αλλά ο Greg Tarlé, ένας φυσικός κοσμικών ακτίνων στο Πανεπιστήμιο του Michigan στο Ann Arbor, λέει ότι τα δεδομένα AMS αποκαλύπτουν μια ενδεικτική ομοιότητα μεταξύ του ενεργειακού φάσματος των ποζιτρονίων και αυτού των πρωτονίων, υποστηρίζοντας την ιδέα ότι τα πρωτόνια είναι η πηγή. "Είναι τα ίδια τα δεδομένα του AMS που δίνουν τις καλύτερες ενδείξεις ότι τα ποζιτρόνια είναι δευτερεύοντα", λέει ο Tarlé.
Μια περίεργη περίσσεια ποζιτρονίων
Κάθε εξήγηση για την περίσσεια ποζιτρονίων έχει σημαντικά προβλήματα, λένε οι ειδικοί στις κοσμικές ακτίνες, αλλά ο Ting επιμένει ότι το AMS μπορεί ακόμα να τα λύσει όλα. Ο ανιχνευτής θα μπορούσε να λειτουργήσει για την υπολειπόμενη διάρκεια ζωής του ISS, ίσως μέχρι το 2024. Η ομάδα AMS θα έχει στη συνέχεια διπλάσια δεδομένα, αρκετά για να πει εάν το φάσμα ποζιτρονίων καταδύεται τόσο απότομα όσο προβλέπουν τα σενάρια της σκοτεινής ύλης, λέει ο Ting. Ο Stephane Coutu, φυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια στο University Park, διαφωνεί. Ο διπλασιασμός των δεδομένων θα συρρικνώσει τις γραμμές σφάλματος μόλις κατά 30%, λέει, πολύ λίγο για να επιλυθεί το πρόβλημα. «Βασικά έχουν τελειώσει», λέει ο Coutu. "Τα υπόλοιπα χρυσώνουν ένα κρίνο."
Τον Μάιο του 2018, μια ομοσπονδιακή συμβουλευτική επιτροπή κατέληξε σε παρόμοιο συμπέρασμα. Το 2017, ο Λευκός Οίκος πρότεινε τη μείωση του προϋπολογισμού της DOE για έρευνα κατά 17%. Σε απάντηση, αξιωματούχοι του προγράμματος φυσικής υψηλής ενέργειας του DOE, το οποίο χρηματοδοτεί τον προϋπολογισμό λειτουργίας του AMS 4,5 εκατομμυρίων δολαρίων, πραγματοποίησαν μια αναθεώρηση για να ταξινομήσουν 13 έργα που βρίσκονται σε εξέλιξη. Το AMS ισοφάρισε για το τέλος. Το πρόβλημα δεν βρισκόταν στο πείραμα, αλλά στις θεωρίες για την ερμηνεία των δεδομένων του, λέει ο Paul Grannis, ένας φυσικός στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης στο Stony Brook που ηγήθηκε της ανασκόπησης. Οι θεωρητικές αβεβαιότητες είναι "τόσο μεγάλες που οτιδήποτε μπορείτε να κάνετε για να βελτιώσετε τα δεδομένα θα έχει πολύ μικρό αντίκτυπο", λέει ο Grannis. Στο τέλος, το Κογκρέσο αύξησε τον προϋπολογισμό της φυσικής υψηλής ενέργειας για το 2018 κατά 10% και οι αξιωματούχοι της DOE λένε ότι δεν έχουν σχέδια να περικόψουν το AMS.
Ο Ting επιμένει επίσης για μια διαφορετική ανακάλυψη που θα εντυπωσιάσει:τους βαρείς πυρήνες αντιύλης. Θα ήταν τεράστιο γιατί αντιπυρήνες βαρύτεροι από ένα δευτερόνιο - ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο - δεν μπορούν να δημιουργηθούν σε αλληλεπιδράσεις κοσμικών ακτίνων και θα έπρεπε να προέρχονται από κάποια περιοχή του σύμπαντος όπου κυριαρχεί η αντιύλη. Ο Ting ισχυρίζεται ότι το AMS έχει συλλάβει μερικούς πυρήνες αντιηλίου. Ο Coutu λέει ότι ένα βουνό αποδεικτικών στοιχείων αποδεικνύει ήδη ότι δεν υπάρχουν περιοχές αντιύλης, επομένως τα αδημοσίευτα σήματα πρέπει να είναι πλαστά, ίσως να παράγονται από λανθασμένα αναγνωρισμένους πυρήνες ηλίου.
Ο ισχυρισμός κατά της ύλης, επίσης, μπορεί να παραμείνει μη δοκιμασμένος. Παρά την περσινή αναστολή, το AMS αντιμετωπίζει ένα αβέβαιο μέλλον. Οι αντλίες που ψύχουν τα βασικά εξαρτήματα του ανιχνευτή πρέπει να αντικατασταθούν και η επιδιόρθωση θα απαιτήσει έναν διαστημικό περίπατο, προγραμματισμένο για τον Οκτώβριο. "Δεν είναι μεγάλη υπόθεση", λέει ο Ting, αν και δεν θα εγγυηθεί την επιτυχία.
Εάν το AMS σταματήσει να λειτουργεί, θα αφήσει πίσω του μια εξαιρετική κληρονομιά, ακόμα κι αν δεν είναι αυτή που οραματίζεται ο Ting. Ο ανιχνευτής έχει συλλέξει εξαιρετικά δεδομένα για κοσμικές ακτίνες όπως πυρήνες ηλίου, βορίου, βηρυλλίου και άνθρακα. Τα δεδομένα βοηθούν τους επιστήμονες να κατανοήσουν τι παράγει αυτές τις συνηθισμένες κοσμικές ακτίνες και πώς ταξιδεύουν στο διάστημα. «Τα δεδομένα κοσμικής ακτίνας που παράγουν είναι φανταστικά», λέει ο Tarlé, συχνά φωνητικός κριτικός του Ting. "Δεν θα είχε γίνει αν ο Sam δεν είχε πείσει την DOE και τη NASA να το κάνουν."
