Despre materia intunecata: Raspunsul la cel mai mare mister al universului ar putea fi axionii

Fizica este strabatuta de enigme si, intr-un anumit sens, asta este ceea ce face ca acest domeniu sa continue. Aceste enigme care ne dau de furca incurajeaza o cursa spre adevar. Dar dintre toate dilemele, as spune ca doua dintre ele se incadreaza fara indoiala in prioritatea A.

In primul rand, atunci cand oamenii de stiinta privesc cerul, ei vad in mod constant stele si galaxii care se indeparteaza de planeta noastra si una de cealalta, in toate directiile. Universul arata ca un fel de balon care se umfla, ceea ce e modul in care am ajuns sa stim ca este in expansiune. Dar ceva nu are sens.

Spatiul nu pare sa aiba suficiente lucruri plutind in el – stele, particule, planete si toate celelalte – pentru a se umfla atat de repede. Cu alte cuvinte, universul se extinde mult mai repede decat spune fizica noastra ca ar putea sa o faca, si chiar prinde viteza in timp ce cititi aceste randuri. Ceea ce ne aduce la a doua problema.

Conform celor mai bune calcule ale expertilor, galaxiile se invart atat de repede pe masura ce totul se invarte in jurul lor, incat ne-am astepta ca spiralele sa se comporte ca niste caruseluri scapate de sub control, aruncand caii de metal in afara cursei. Se pare ca nu exista suficient material in univers pentru a le ancora impreuna. Si totusi, Calea Lactee nu se indeparteaza.

Deci… ce se intampla?

In termeni generali, fizicienii numesc „lipsa” ceea ce impinge cosmosul in exterior, energie intunecata, iar bucatile care tin galaxiile impreuna – probabil sub forma unui halo – materie intunecata. Niciuna dintre ele nu interactioneaza cu lumina sau cu materia pe care o putem vedea, asa ca sunt practic invizibile. Impreuna, materia si energia intunecata reprezinta 95% din univers.

Concentrandu-se asupra portiunii de materie intunecata, autorii unei recenzii recente, publicata in revista Science Advances, scriu ca „ar putea foarte bine sa fie formata din unul sau mai multe tipuri de particule fundamentale… desi o parte sau toata materia ar putea consta din bulgari macroscopici ai unei forme invizibile de materie, cum ar fi gaurile negre”.

Cu sau fara gauri negre, materia intunecata este total evaziva. In efortul de a-i descifra secretele, oamenii de stiinta au ales o mana de suspecti din randul cosmic, iar una dintre cei mai cautati este o mica particula ciudata numita axion.

Marea ipoteza a axionilor

Probabil ca ati auzit de Modelul Standard, care este, practic, Sfantul Graal, manualul din ce in ce mai bine documentat al fizicii particulelor. Acesta descrie modul in care functioneaza fiecare particula din univers.

Cu toate acestea, dupa cum subliniaza recenzia din Science Advances, unii „fizicieni de particule sunt nelinistiti si nemultumiti de Modelul Standard, deoarece acesta are multe deficiente teoretice si lasa multe intrebari experimentale presante fara raspuns”. Mai exact pentru noi, aceasta duce direct la un paradox cu privire la un concept stiintific bine stabilit numit invarianta CPT. Deci, enigmele fizicii continua.

Practic, invarianta CPT afirma ca universul trebuie sa fie simetric in ceea ce priveste C (sarcina), P (paritatea) si T (timpul). Din acest motiv, se mai numeste si simetrie CPT. Daca totul ar avea sarcina opusa, ar fi stangaci in loc de dreptaci si ar calatori in timp inapoi in loc de inainte, aceasta afirma ca universul ar trebui sa ramana exact la fel.

Pentru o lunga perioada de timp, simetria CPT a parut de neinvins. Apoi a aparut anul 1956.

Pe scurt, oamenii de stiinta au descoperit ceva care incalca partea P a simetriei CPT. Se numeste forta slaba si dicteaza lucruri precum ciocnirile de neutrini si fuziunea elementelor in soare. Toata lumea a fost socata, confuza si speriata.

Aproape fiecare concept fundamental al fizicii se bazeaza pe simetria CPT.

Aproximativ un deceniu mai tarziu, cercetatorii au descoperit ca forta slaba incalca si ea simetria C. Lucrurile se prabuseau. Fizicienii puteau doar sa spere si sa se roage ca, chiar daca P este incalcat… si CP este incalcat… poate CPT inca nu este. Poate ca fortele slabe au nevoie doar de trio pentru a sustine simetria CPT. Din fericire, aceasta teorie pare corecta. Dintr-un motiv necunoscut, forta slaba respecta simetria CPT totala, in pofida blipurilor C si CP.

Dar iata care este problema. Daca fortele slabe incalca simetria CP, te-ai astepta ca si fortele puternice sa o faca, nu? Ei bine, nu o fac, iar fizicienii nu stiu de ce. Aceasta se numeste problema CP puternic – si tocmai aici lucrurile devin interesante.

Neutronii – particule neincarcate din atomi – se supun fortei puternice. In plus, permitand simplificarea, sarcina lor neutra reprezinta incalcarea simetriei T. Si „daca gasim ceva care incalca simetria T, atunci trebuie sa incalce si simetria CP in asa fel incat combinatia CPT sa nu fie incalcata”, se afirma in document. Dar… asta e ciudat. Neutronii nu o fac din cauza problemei CP puternic.

Si astfel s-a nascut ideea axionului.

Cu ani in urma, fizicienii Roberto Peccei si Helen Quinn au sugerat adaugarea unei noi dimensiuni la modelul standard. Aceasta presupunea un camp de particule ultrausoare – axioni – care explicau problema CP puternic, relaxand astfel conditiile pentru neutroni. Axionii pareau sa rezolve totul atat de bine incat ideea duo-ului a devenit „cea mai populara solutie la problema CP puternic”, se arata in lucrare. A fost un miracol.

Helen Quinn si Roberto Peccei

Pentru a fi clar, axionii sunt inca ipotetici, dar ganditi-va la ceea ce tocmai s-a intamplat. Fizicienii au adaugat o noua particula la Modelul Standard, care contureaza portiuni din intregul univers. Ce ar putea insemna asta pentru celelalte chestiuni?

Cheia catre materia intunecata?

Conform teoriei Peccei-Quinn, axionii ar fi „reci”, adica s-ar misca foarte incet prin spatiu. Si… cercetatorii studiului spun ca „existenta [materiei intunecate] este dedusa din efectele sale gravitationale, iar observatiile astrofizice sugereaza ca este ‘rece’.”

De asemenea, in lucrare se mai afirma ca „exista limite superioare experimentale cu privire la cat de puternic interactioneaza [axionul] cu materia vizibila”.

Deci, practic, axionii care ajuta la explicarea problemei CP puternic par sa aiba, de asemenea, proprietati teoretice care se aliniaza cu cele ale materiei intunecate.

Consiliul European pentru Cercetari Nucleare, mai bine cunoscut sub numele de CERN, care administreaza Large Hadron Collider si conduce ancheta pentru studiile privind antimateria, subliniaza, de asemenea, ca „una dintre cele mai sugestive proprietati ale axionilor este aceea ca, in mod natural, acestia ar putea fi produsi in numar foarte mare la scurt timp dupa inceputul creatiei. Aceasta populatie de axioni ar fi prezenta si astazi si ar putea compune materia intunecata a universului.”

Iata, axionii sunt astazi cel mai fierbinte subiect din fizica deoarece par ca explica atat de multe. Dar inca odata, aceste particule mult cautate sunt inca la nivel teoretic.

Vom gasi vreodata axionii?

Au trecut 40 de ani de cand oamenii de stiinta au inceput sa caute axioni.

Cele mai multe dintre aceste cautari „exploateaza in principal interactiunea campului de actiune cu campurile electromagnetice”, spun autorii acestei recenzii recent publicate in Science Advances.

Axion Search Telescope

De exemplu, CERN a dezvoltat Axion Search Telescope, un aparat construit pentru a gasi un indiciu al particulelor produse in miezul soarelui. In interiorul stelei noastre, exista campuri electrice puternice care ar putea interactiona cu axionii – daca acestia exista cu adevarat, adica.

Dar, pana in prezent, aceasta cautare s-a confruntat cu cateva provocari destul de mari. In primul rand, „masa particulei nu este predictibila din punct de vedere teoretic”, scriu autorii – adica avem foarte putine idei despre cum ar putea arata un axion.

In momentul de fata, oamenii de stiinta inca le cauta, presupunand in acelasi timp o gama foarte larga de mase. Recent, insa, cercetatorii au oferit dovezi ca particula este probabil intre 40 si 180 de microelectroni volti. Aceasta este inimaginabil de mica, la aproximativ o miliardime din masa unui electron.

„In plus”, scrie echipa, „se asteapta ca semnalul axionului sa fie foarte ingust… si extrem de slab datorita cuplajelor foarte slabe cu particulele si campurile din Modelul Standard”. In esenta, chiar daca axionii minusculi incearca din rasputeri sa ne semnaleze existenta lor, s-ar putea sa ii ratam. Semnalele lor ar putea fi atat de slabe incat abia am putea observa.

In ciuda acestor obstacole, cautarea axionului continua (ca si aceea a „Particulei lui Dumnezeu” – n.red.). Cei mai multi oameni de stiinta sustin ca trebuie sa existe pe undeva, dar par prea frumos sa fie adevarati atunci cand vine vorba de explicarea completa a materiei intunecate.

„Majoritatea incercarilor experimentale presupun ca axionii compun 100% din haloul materiei intunecate”, subliniaza autorii studiului, sugerand ca poate exista o modalitate de a „cerceta fizica axionilor fara a ne baza pe o astfel de presupunere”.

Desi ar putea fi vedeta spectacolului, cum ar fi daca axionii sunt doar un capitol din istoria materiei intunecate? Vom vedea.

Traducere si adaptare dupa cnet.com.