Τι χρειάζεται η σκοτεινή ύλη είναι τα νέα είδη πειραμάτων
Τρεις δεκαετίες έχουν περάσει από την πρώτη άμεση αναζήτηση για τη σκοτεινή ύλη, μια μέτρια προσπάθεια ανακύκλωσης των δεδομένων από έναν ανιχνευτή σωματιδίων που είχε αρχικά κατασκευαστεί για άλλο σκοπό. Αυτή η εργασία ήταν μια γρήγορη απάντηση σε μια πρόταση των θεωρητικών φυσικών Mark Goodman και Edward Witten, οι οποίοι επέστησαν την προσοχή στη δυνατότητα ανίχνευσης της σκοτεινής ύλης μέσω πυρηνικών ανάκρουσης. Η πειραματική προσέγγιση που προτείνεται είναι παρόμοια με το να παίζεις μπιλιάρδο με μια αόρατη cue ball. Αν δείτε μια έγχρωμη μπάλα του μπιλιάρδου (ένας ατομικός πυρήνας στο σώμα του ανιχνευτή) να εκτρέπεται ξαφνικά χωρίς προφανή λόγο, ξέρετε ότι πρέπει να χτυπήθηκε από κάτι που δεν μπορείτε να δείτε άμεσα (ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης).
Οι υποθετικές μπάλες υπόδειξης συγκεντρώθηκαν κάτω από μια πνευματώδη ονομασία:WIMPs, για ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια. Αυτός ο μάλλον γενικός όρος περιλαμβάνει όλα τα νέα σωματίδια που είναι ικανά να παράγουν πυρηνικές οπισθοδρομήσεις, ενώ δεν συμμετέχουν σε άλλους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης που ευνοούνται από τη ρίψη γνωστών σωματιδίων. Οι πειραματιστές πρότειναν και εφάρμοσαν έναν μεγάλο αριθμό έξυπνων τεχνικών για να αναζητήσουν αυτές τις πυρηνικές οπισθοδρομήσεις. Τα πειράματα έβαλαν στην πράξη έξυπνους νέους τρόπους αποδοχής σημάτων που προέρχονται μόνο από πυρηνικά ανάκρουση, ενώ απορρίπτονται όλες οι άλλες μορφές αλληλεπίδρασης.
Με εξαίρεση τις μεμονωμένες αναζητήσεις για σωματίδια που μοιάζουν με άξονα (ALPS), οι κυνηγοί της σκοτεινής ύλης έχουν επικεντρωθεί κυρίως στην ανίχνευση WIMP. Αυτή η αφοσίωση δεν οφείλεται σε μια ανθυγιεινή προσήλωση σε ένα παιχνίδι μικροσκοπικού μπιλιάρδου:τα WIMP δημιουργούνται φυσικά από, για παράδειγμα, υπερσυμμετρικές επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου αλληλεπιδράσεων σωματιδίων. Η κοινή λογική υπαγορεύει ότι πρέπει πρώτα να αναζητήσουμε υποψηφίους για τη σκοτεινή ύλη που απολαμβάνουν ένα ισχυρό θεωρητικό κίνητρο.
Όλα είναι πολύ λογικά, αλλά υπάρχει μόνο ένα πρόβλημα:δεν λειτούργησε. Μετά από 30 χρόνια επιθέσεων στον ψηλό πύργο WIMP, κανένα πείραμα δεν παρήγαγε ξεκάθαρα στοιχεία.
Ο συνδυασμός αρνητικών αποτελεσμάτων τόσο από τις αναζητήσεις της σκοτεινής ύλης όσο και από τα πειράματα με επιταχυντές έχει οδηγήσει σε προοδευτική μείωση των υπερσυμμετρικών μοντέλων ικανών να δημιουργήσουν ένα κοσμολογικά σχετικό WIMP. Ίσως ως αντίδραση σε αυτό, οι θεωρητικοί έχουν διερευνήσει δυναμικά εναλλακτικές. Τα τελευταία χρόνια παρατηρήθηκε ένα κύμα θεωρητικού ενδιαφέροντος για εναλλακτικές λύσεις σε ένα WIMP μέσης μάζας «βανίλιας» που αλληλεπιδρά μέσω πυρηνικών ανάκρουσης. Δύο θέματα, συχνά αλληλοεπικαλυπτόμενα, μπορούν να διακριθούν σε αυτήν την αναταραχή δραστηριότητας:Σωματίδια με ελαφρύτερες μάζες, ανίκανα λόγω της μικροσκοπικής ορμής τους να παράγουν σήματα πάνω από την ευαισθησία των σημερινών ανιχνευτών και μια εξέταση μηχανισμών αλληλεπίδρασης εκτός των πυρηνικών ανάκρουσης. Αυτή η μετατόπιση ενδιαφέροντος μπορεί να απεικονιστεί από τον τελευταίο υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη που υποστηρίζεται από τον Edward Witten και τους σύγχρονους συν-συνωμότες του:Ένα σωματίδιο τόσο ελαφρύ που το μήκος κύματός του θα τεντώνει τη διάμετρο ενός τυπικού γαλαξία.
Αλλά οι πειραματιστές δεν έχουν αλλάξει ακόμα τρόπους — και ο ίδιος μιλάω ως πειραματιστής. Υποτίθεται ότι είμαστε οι άνθρωποι με τα πόδια γερά πατημένα στο έδαφος, σε αντίθεση με τους θεωρητικούς φίλους μας που αιωρούνται στα σύννεφα της εικασίας. Αλλά όταν πρόκειται για τη σκοτεινή ύλη, μπορεί να δυσκολευόμαστε να αποδεχτούμε αυτό που μας λέει η φύση. Στην πραγματικότητα, οι περισσότεροι από εμάς εξακολουθούμε να παίρνουμε το σύνθημά μας από την εργασία των Goodman and Witten, η οποία έχει συγκεντρώσει σχεδόν 900 αναφορές, με μονότονα αυξανόμενο ρυθμό:Θα νομίζατε ότι μόλις αρχίζουμε να επιταχύνουμε.
Δυστυχώς, η μεγάλη επένδυση της πειραματικής κοινότητας στην επόμενη και πιθανώς τελευταία γενιά ανιχνευτών WIMP οδήγησε σε ένα είδος αδράνειας, χωρίς να πραγματοποιούνται σημαντικές αναζητήσεις ως απόκριση της συνεχιζόμενης φαινομενολογικής παραγωγής. Είναι οι πειραματιστές πιο υπομονετικοί από τους συναδέλφους τους στη θεωρία; Πιο στενόμυαλοι; Είναι πρόωρη αυτή η ανησυχία; Ποια είναι τα 30 χρόνια στο μεγάλο σχέδιο του σύμπαντος; Εξάλλου, ο Τζέιμς Τσάντγουικ χρειάστηκε πάνω από μια δεκαετία πειραματισμού για να ανακαλύψει το νετρόνιο, αναζητώντας επίσης αυτές τις ενοχλητικές πυρηνικές ανάκρουση.
Η απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα είναι πολύπλευρη, και ένα καλό παράδειγμα της πολύπλοκης δυναμικής που διέπει τη σύγχρονη ανατροπή της επιστημονικής προόδου. Κάποιος μπορεί να ξεκινήσει ονομάζοντας το προφανές:Η δημιουργία καλών πειραμάτων και η υλοποίηση τους απαιτεί σημαντικό χρόνο και προσπάθεια. Για όσο διάστημα η φυσική παραμένει μια πειραματική επιστήμη, αυτό το γεγονός της ζωής θα μειώσει τον χρόνο απόκρισης σε οποιαδήποτε θεωρητική εισροή. Η ΔΕΠΥ, όταν διοχετεύεται σωστά, μπορεί να βοηθήσει στην αύξηση του αντίκτυπου ενός εκκολαπτόμενου θεωρητικού. Το ίδιο σύνδρομο σε έναν νεαρό πειραματιστή θα οδηγήσει, με βεβαιότητα, σε μια πολύ σύντομη καριέρα:Αναμένεται να τελειώσουμε αυτό που ξεκινάμε.
Αλλά υπάρχει μια άλλη, λιγότερο υγιής δυναμική στη δουλειά, για την οποία οι πειραματιστές θα πρέπει να αναγνωρίσουν την ευθύνη. Αυτό που ξεκίνησε ως ένα πεδίο μικρών πειραμάτων, με άφθονο χώρο για δημιουργικότητα και εφεύρεση, έχει μολυνθεί από μια ασθένεια που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στη φυσική υψηλής ενέργειας. Καθώς τα πειράματα μεγαλώνουν σε μέγεθος και πολυπλοκότητα, τα μονοπάτια για οτιδήποτε μυρίζει πρωτοτυπία είναι λίγα. Παραμείνετε πιστό γρανάζι στο μηχάνημα, κάνοντας το καλά καθορισμένο κομμάτι σας και θα αποζημιωθείτε, με λίγη τύχη. Ως αποτέλεσμα, εκείνοι που θα έπρεπε να προτείνουν νέες προσεγγίσεις για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, οι οργανοπαίχτες με μια βαθύτερη αίσθηση του πώς να φτιάξουν την καλύτερη ποντικοπαγίδα, βλέπουν τα καλύτερά τους χρόνια να περνούν θολά. Ακόμα κι αν δεν υπήρχε αυτή η θλιβερή τάση, μένει κανείς να αναρωτιέται σε πόση χρηματοδότηση θα είχε πρόσβαση ένα νέο επιχειρηματικό πνεύμα τη στιγμή που τα λίγα διαθέσιμα είναι πλήρως αφοσιωμένα σε συνεχείς αναζητήσεις WIMP.
Όταν ένας μαθητής που σκέφτεται να συμμετάσχει σε μια αναζήτηση σκοτεινής ύλης με πλησιάζει αυτές τις μέρες, περιγράφω δύο πιθανά σενάρια. Στην πρώτη, ένα WIMP ανακαλύπτεται στην προσιτότητα των ανιχνευτών επόμενης γενιάς και μεταβαίνουμε σε μια «χρυσή εποχή» μελετών ακριβείας της σκοτεινής ύλης. Περιλαμβάνει άφθονη χρηματοδότηση και ασφάλεια εργασίας, αλλά με το μεγαλύτερο μέρος της συγκίνησης να έχει φύγει. Αν έλεγα φοιτητής, ότι έφτασα σε αυτό το πάρτι λίγο αργά, θα ήταν μια πολύ βαρετή προοπτική, και προσπαθώ να επικοινωνήσω ακριβώς αυτό. Το άλλο σενάριο είναι αποκαλυπτικό, άρα πολύ πιο ικανοποιητικό. Τίποτα δεν εμφανίζεται σε αυτούς τους ανιχνευτές, ο LHC εξαλείφει το εναπομείναν ενδιαφέρον για την υπερσυμμετρία (τουλάχιστον για κάθε λογικό άτομο) και οι έρευνες WIMP μεγαλύτερης κλίμακας ακολουθούν τις υπόγειες προσπάθειες διάσπασης πρωτονίων πριν από μερικά χρόνια, όταν έπεσαν οι κυρίαρχες Grand Unified Theories εκτός μόδας, δηλαδή στη λήθη.
Από αυτές τις στάχτες, με τις παρωπίδες WIMP τώρα να έχουν αφαιρεθεί, θα ανασυντασσόμασταν και θα επανεκπαιδευόμασταν, καταλήγοντας σε ένα πιο ισορροπημένο χαρτοφυλάκιο προσπαθειών, σε καλύτερη αντιστοιχία με τις πολλές μορφές που θα μπορούσε να πάρει τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης:Προσωπικά με ελκύουν πειράματα που δεν απαιτούν υπόγειος ιστότοπος, απλούστερες αναζητήσεις που με καλή σειρά θα έπρεπε να είχαν γίνει εκ των προτέρων, πριν από δεκαετίες. Αν μάθαμε το μάθημά μας, θα καταργούσαμε επίσης κάθε θεωρητική προκατάληψη, τη συχνά κακοήθη «κοινή λογική» που αναφέρθηκε παραπάνω, επικεντρωνόμαστε αντ' αυτού στην ανάπτυξη νέων εργαλείων ευαίσθητων σε οποιονδήποτε φανταστικό τρόπο αλληλεπίδρασης από έναν σκοτεινό τομέα. Μπορεί κανείς μόνο να ελπίζει.
Ο Juan Collar είναι καθηγητής στο Kavli Institute for Cosmological Studies στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο.
Πίστωση εικόνας δυνητικού πελάτη:ESO
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στις Nautilus Cosmos τον Φεβρουάριο του 2017.
