Intensywne, ogólnoświatowe poszukiwania ciemnej materii, brakującej masy we wszechświecie, jak dotąd nie przyniosły rezultatu w postaci obfitości ciemnych, masywnych gwiazd lub mnóstwa nowych, dziwnych, słabo oddziałujących cząstek, ale nowy kandydat powoli zyskuje zwolenników i wsparcie obserwacyjne.

Nazywane SIMPs – silnie oddziałujące masywne cząstki – zostały zaproponowane trzy lata temu przez fizyka teoretycznego z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Hitoshi Murayama, profesora fizyki i dyrektora Instytutu Fizyki i Matematyki Wszechświata Kavli (Kavli IPMU) w Japonii, oraz byłego postdoca UC Berkeley, Yonit Hochberg, obecnie na Uniwersytecie Hebrajskim w Izraelu.

Murayama mówi, że ostatnie obserwacje pobliskiego galaktycznego spiętrzenia mogą być dowodem na istnienie SIMPs, i przewiduje, że przyszłe eksperymenty fizyki cząstek odkryją jedno z nich.

Murayama omówił swoje najnowsze teoretyczne pomysły o SIMPs i jak zderzające się galaktyki wspierają teorię w zaproszonym wykładzie Dec. 4 na 29 Texas Symposium on Relativistic Astrophysics w Cape Town, South Africa.

Astronomowie obliczyli, że ciemna materia, podczas gdy niewidoczne, stanowi około 85 procent masy wszechświata. Najtrwalszym dowodem na jej istnienie jest ruch gwiazd wewnątrz galaktyk: Bez niewidocznej plamy ciemnej materii galaktyki rozpadłyby się na kawałki. W niektórych galaktykach widoczne gwiazdy są tak rzadkie, że ciemna materia stanowi 99,9 procent masy galaktyki.

Teoretycy najpierw myśleli, że ta niewidoczna materia to zwykła materia zbyt niewyraźna, aby ją zobaczyć: niedziałające gwiazdy zwane brązowymi karłami, wypalone gwiazdy lub czarne dziury. Jednak tak zwane masywne zwarte obiekty halo – MACHO – uniknęły odkrycia, a wcześniej w tym roku badanie galaktyki Andromedy przez Teleskop Subaru w zasadzie wykluczyło jakąkolwiek znaczącą nieodkrytą populację czarnych dziur. Naukowcy szukali czarnych dziur pozostałych z bardzo wczesnego Wszechświata, tak zwanych pierwotnych czarnych dziur, poprzez poszukiwanie nagłych pojaśnień powstałych, gdy przechodzą one przed gwiazdami tła i działają jak słaba soczewka. Znaleźli dokładnie jedną – zbyt mało, aby znacząco przyczynić się do masy galaktyki.

„To badanie całkiem wyeliminowało możliwość istnienia MACHO; powiedziałbym, że jest ona całkiem znikoma” – powiedział Murayama.

WIMP-y – słabo oddziałujące masywne cząstki – nie radziły sobie lepiej, mimo że były w centrum uwagi naukowców przez kilka dekad. Powinny one być stosunkowo duże – około 100 razy cięższe od protonu – i oddziaływać ze sobą tak rzadko, że określa się je mianem „słabo” oddziałujących. Sądzono, że częściej oddziałują z normalną materią poprzez grawitację, pomagając przyciągać normalną materię w kępy, które rozrastają się w galaktyki i ostatecznie rodzą gwiazdy.

SIMP-y oddziałują same ze sobą, ale nie z innymi

SIMP-y, podobnie jak WIMP-y i MACHO, teoretycznie byłyby produkowane w dużych ilościach na początku historii wszechświata i od tego czasu ochłodziły się do średniej kosmicznej temperatury. Jednak w przeciwieństwie do WIMP-ów, SIMP-y mają silnie oddziaływać z samymi sobą poprzez grawitację, ale bardzo słabo z normalną materią. Jedna z możliwości zaproponowanych przez Murayamę jest taka, że SIMP jest nową kombinacją kwarków, które są podstawowymi składnikami cząstek takich jak proton i neutron, zwanych barionami. Podczas gdy protony i neutrony składają się z trzech kwarków, SIMP byłby bardziej podobny do pionu, zawierając tylko dwa: kwark i antykwark.

SIMP byłby mniejszy niż WIMP, z rozmiarem lub przekrojem poprzecznym takim jak jądro atomowe, co sugeruje, że jest ich więcej niż WIMP-ów. Większe liczby oznaczałyby, że pomimo ich słabej interakcji z normalną materią – głównie poprzez rozpraszanie się z niej, w przeciwieństwie do łączenia się lub rozpadu na normalną materię – nadal pozostawiałyby odcisk palca na normalnej materii, powiedział Murayama.

Widzi taki odcisk palca w czterech zderzających się galaktykach w obrębie gromady Abell 3827, gdzie, co zaskakujące, ciemna materia wydaje się pozostawać w tyle za materią widzialną. To może być wyjaśnione, powiedział, przez interakcje między ciemną materią w każdej galaktyce, która spowalnia fuzję ciemnej materii, ale nie tej z normalnej materii, w zasadzie gwiazd.

„Jednym ze sposobów, aby zrozumieć, dlaczego ciemna materia pozostaje w tyle za materią świecącą jest to, że cząstki ciemnej materii faktycznie mają skończony rozmiar, rozpraszają się przeciwko sobie, więc kiedy chcą poruszać się w kierunku reszty systemu, zostają odepchnięte”, powiedział Murayama. „To wyjaśniałoby obserwacje. Jest to rodzaj rzeczy przewidywanej przez moją teorię ciemnej materii będącej związanym stanem nowego rodzaju kwarków.”

SIMPy pokonują również główną wadę teorii WIMP: zdolność do wyjaśnienia rozkładu ciemnej materii w małych galaktykach.

„Od dawna istnieje ta zagadka: Jeśli spojrzeć na galaktyki karłowate, które są bardzo małe z niewielką ilością gwiazd, są one naprawdę zdominowane przez ciemną materię. A jeśli przeprowadzimy symulacje numeryczne tego, jak ciemna materia łączy się ze sobą, zawsze przewidują one, że w centrum znajduje się ogromna koncentracja. Jest to punkt krytyczny,” powiedział Murayama. „Ale obserwacje zdają się sugerować, że koncentracja jest bardziej płaska: rdzeń zamiast wierzchołka. Problem jądra/kulei był uważany za jeden z głównych problemów związanych z ciemną materią, która nie oddziałuje inaczej niż poprzez grawitację. Ale jeśli ciemna materia ma skończony rozmiar, jak SIMP, cząsteczki mogą się „klinować” i rozpraszać, a to w rzeczywistości spłaszczyłoby profil masy w kierunku centrum. Jest to kolejny kawałek 'dowodu’ na tego rodzaju teoretyczny pomysł.”

Trwające poszukiwania WIMP-ów i aksjonów

Planowane są eksperymenty naziemne mające na celu poszukiwanie SIMP-ów, głównie w akceleratorach takich jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN w Genewie, gdzie fizycy zawsze szukają nieznanych cząstek, które pasują do nowych przewidywań. Inny eksperyment w planowanym Międzynarodowym Zderzaczu Liniowym w Japonii również mógłby być wykorzystany do poszukiwania SIMP-ów.

Podczas gdy Murayama i jego koledzy udoskonalają teorię SIMP-ów i szukają sposobów na ich znalezienie, trwają poszukiwania WIMP-ów. Eksperyment z ciemną materią Large Underground Xenon (LUX) w podziemnej kopalni w Południowej Dakocie wyznaczył surowe granice tego, jak może wyglądać WIMP, a unowocześniony eksperyment o nazwie LZ przesunie te granice jeszcze dalej. Daniel McKinsey, profesor fizyki UC Berkeley, jest jednym ze współsponsorów tego eksperymentu, ściśle współpracując z Lawrence Berkeley National Laboratory, gdzie Murayama jest starszym naukowcem.

Fizycy poszukują również innych kandydatów na ciemną materię, którzy nie są WIMPami. Pracownicy UC Berkeley są zaangażowani w dwa eksperymenty poszukujące hipotetycznej cząstki zwanej aksjonem, która może pasować do wymagań stawianych ciemnej materii. Eksperyment Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr), prowadzony przez Dmitry’ego Budkera, emerytowanego profesora fizyki, który obecnie pracuje na Uniwersytecie w Mainz w Niemczech, oraz teoretyka Surjeeta Rajendrana, profesora fizyki UC Berkeley, ma na celu poszukiwanie perturbacji w spinie jądrowym spowodowanych przez pole aksjonu. Karl van Bibber, profesor inżynierii jądrowej, odgrywa kluczową rolę w projekcie Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF), którego celem jest wykrycie aksjonów wewnątrz mikrofalowej wnęki w silnym polu magnetycznym, gdy zamieniają się one w fotony.

„Oczywiście nie powinniśmy rezygnować z poszukiwania WIMP-ów,” powiedział Murayama, „ale granice eksperymentalne stają się naprawdę, naprawdę ważne. Kiedy dojdziemy do poziomu pomiaru, na którym będziemy w najbliższej przyszłości, nawet neutrina staną się tłem dla eksperymentu, co jest niewyobrażalne.”

Neutrina oddziałują tak rzadko z normalną materią, że szacunkowo 100 bilionów przelatuje przez nasze ciała w każdej sekundzie bez naszego zauważenia, co czyni je niezwykle trudnymi do wykrycia.

„Konsensus społeczności jest taki, że nie wiemy jak daleko musimy się posunąć, ale przynajmniej musimy zejść do tego poziomu,” dodał. „Ale ponieważ zdecydowanie nie ma żadnych oznak pojawienia się WIMPów, ludzie zaczynają myśleć szerzej w tych dniach. Zatrzymajmy się i zastanówmy się nad tym jeszcze raz.”

.