Η σκοτεινή ύλη παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα ανεξήγητα μυστήρια της σύγχρονης Φυσικής. Παρότι η επιστημονική κοινότητα γνωρίζει την ύπαρξή της μέσα από τις βαρυτικές επιδράσεις που ασκεί στο σύμπαν, κανείς δεν έχει καταφέρει μέχρι σήμερα να την εντοπίσει άμεσα ή να την αναπαράγει στο εργαστήριο.
Μια νέα θεωρητική μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review D προτείνει τώρα μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση. Οι φυσικοί Stefan Evans και Ralf Schützhold από το ερευνητικό κέντρο Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf στη Γερμανία υποστηρίζουν ότι ατομικοί πυρήνες που επιταχύνονται σε σχεδόν φωτεινές ταχύτητες θα μπορούσαν να γεννήσουν ζεύγη αξιονίων, δηλαδή υποθετικών σωματιδίων που θεωρούνται από τους ισχυρότερους υποψήφιους για τη συγκρότηση της σκοτεινής ύλης.
Τι είναι τα αξιόνια και γιατί τα αναζητούμε
Τα αξιόνια είναι υποθετικά σωματίδια με ιστορία σχεδόν μισού αιώνα στη θεωρητική Φυσική. Αρχικά προτάθηκαν για να επιλύσουν ένα θεμελιώδες πρόβλημα της κβαντικής χρωμοδυναμικής, δηλαδή της θεωρίας που περιγράφει την ισχυρή πυρηνική δύναμη.
Στην πορεία, οι υπολογισμοί έδειξαν ότι οι ιδιότητές τους ταιριάζουν απόλυτα με τα χαρακτηριστικά που αναζητάμε στη σκοτεινή ύλη. Παρά τις προσπάθειες δεκαετιών, η ύπαρξή τους δεν έχει επιβεβαιωθεί ακόμη πειραματικά.
Πώς δημιουργούνται σωματίδια από το «κενό»
Το νέο μοντέλο των ερευνητών βασίζεται σε μια παράδοξη ιδιότητα του κβαντικού κενού: στην πραγματικότητα, το απόλυτο «κενό» δεν είναι άδειο, καθώς το κβαντικό πεδίο διακατέχεται από συνεχείς, μικροσκοπικές ενεργειακές διακυμάνσεις.
Οι επιστήμονες στηρίχθηκαν στο λεγόμενο δυναμικό φαινόμενο Casimir. Το κλασικό φαινόμενο Casimir προκαλεί μια ελκτική ή απωστική δύναμη όταν δύο αντικείμενα πλησιάσουν σε ελάχιστη απόσταση, καθώς μεταβάλλονται οι διακυμάνσεις του κενού ανάμεσά τους. Όταν όμως αυτή η διαταραχή αλλάζει με εξαιρετικά γρήγορο ρυθμό, η ενέργεια μεταφέρεται στο κβαντικό πεδίο, υλοποιώντας πραγματικά σωματίδια. Το φαινόμενο αυτό έχει ήδη επιβεβαιωθεί πειραματικά στην παραγωγή φωτονίων.
Οι Evans και Schützhold υποστηρίζουν ότι η ίδια ακριβώς διαδικασία μπορεί να ενεργοποιηθεί και στο πεδίο των αξιονίων.
Ο ρόλος των ατομικών πυρήνων και το φαινόμενο Unruh
Ένας ατομικός πυρήνας επηρεάζει τις ιδιότητες του πεδίου αξιονίων στον περιβάλλοντα χώρο του. Κατά συνέπεια, όταν δύο πυρήνες πλησιάζουν με τεράστια ταχύτητα, οι κβαντικές διακυμάνσεις γύρω τους μεταβάλλονται βίαια. Αν η επιτάχυνση των πυρήνων είναι αρκετά απότομη, μέρος της κινητικής τους ενέργειας μπορεί να μετατραπεί σε δύο πραγματικά, κβαντικά συσχετισμένα αξιόνια.
Παράλληλα, οι ερευνητές επισημαίνουν ότι το φαινόμενο μπορεί να περιγραφεί και μέσω του φαινομένου Unruh. Βάσει αυτής της θεωρίας, ένας παρατηρητής που επιταχύνεται συνεχώς αντιλαμβάνεται το κβαντικό κενό σαν ένα θερμό «λουτρό» σωματιδίων. Από τη δική μας, αδρανειακή οπτική γωνία, η ίδια διαδικασία αποτυπώνεται ως αυτούσια δημιουργία ζεύγους αξιονίων μέσα από το κενό.
Δοκιμή σε υπάρχοντες επιταχυντές σωματιδίων
Το σημαντικότερο στοιχείο της μελέτης είναι ότι δεν απαιτείται η κατασκευή κάποιου μελλοντικού, πανάκριβου εξοπλισμού. Η θεωρία μπορεί να δοκιμαστεί στις λεγόμενες ultraperipheral heavy-ion collisions, δηλαδή σε πολύ κοντινές διελεύσεις βαρέων ατομικών πυρήνων που κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες, χωρίς να συγκρούονται μετωπικά.
Τα ισχυρότατα ηλεκτρομαγνητικά πεδία των πυρήνων αλληλεπιδρούν, και η ακαριαία μεταβολή της κίνησής τους δημιουργεί τις κατάλληλες συνθήκες για τη γέννηση αξιονίων. Παρ’ όλα αυτά, η πιθανότητα επιτυχίας εξαρτάται άμεσα από την άγνωστη ακόμη μάζα του αξιονίου. Ακόμη όμως κι αν δημιουργηθούν, η ανίχνευσή τους θα αποτελέσει μεγάλη πρόκληση, απαιτώντας εξαιρετικά ευαίσθητες διατάξεις, όπως οι ανιχνευτές σκοτεινής ύλης με υγρό ξένον (liquid xenon detectors).
Με τη ματιά του Techmaniacs
Έρευνες σαν κι αυτή αναδεικνύουν την ουσία της θεωρητικής Φυσικής. Αντί να περιμένουμε την κατασκευή επιταχυντών επόμενης γενιάς με κόστος δισεκατομμυρίων ευρώ, οι επιστήμονες αναζητούν έξυπνους τρόπους να αξιοποιήσουν τις υπάρχουσες υποδομές, όπως τον Large Hadron Collider (LHC) στο CERN. Αν επιβεβαιωθεί πειραματικά ότι το κβαντικό κενό μπορεί να γεννήσει σκοτεινή ύλη μέσω του δυναμικού φαινομένου Casimir, δεν θα λύσουμε μόνο το μεγαλύτερο γρίφο της αστροφυσικής, αλλά θα αποκτήσουμε και μια εντελώς νέα αντίληψη για τη δομή του ίδιου του χωροχρόνου.
