Cercetarea intensă, la nivel mondial, a materiei întunecate, masa lipsă din univers, nu a reușit până acum să găsească o abundență de stele întunecate și masive sau zeci de noi particule ciudate cu interacțiune slabă, dar un nou candidat câștigă încet adepți și sprijin observațional.

Denumite SIMP – particule masive cu interacțiune puternică – acestea au fost propuse în urmă cu trei ani de către fizicianul teoretician al Universității din California, Berkeley, Hitoshi Murayama, profesor de fizică și director al Institutului Kavli pentru Fizica și Matematica Universului (Kavli IPMU) din Japonia, și de către fostul postdoctorand al UC Berkeley, Yonit Hochberg, în prezent la Universitatea Ebraică din Israel.

Murayama spune că observațiile recente ale unei îngrămădiri galactice din apropiere ar putea fi o dovadă a existenței SIMP-urilor și anticipează că viitoarele experimente de fizică a particulelor vor descoperi una dintre ele.

Murayama a discutat cele mai recente idei teoretice ale sale despre SIMP-uri și despre modul în care galaxiile care se ciocnesc susțin această teorie într-o conferință invitată în luna decembrie. 4 la cel de-al 29-lea Simpozion Texas de Astrofizică Relativistă din Cape Town, Africa de Sud.

Astronomii au calculat că materia întunecată, deși invizibilă, reprezintă aproximativ 85% din masa universului. Cea mai solidă dovadă a existenței sale este reprezentată de mișcarea stelelor în interiorul galaxiilor: Fără o pată nevăzută de materie întunecată, galaxiile ar zbura în bucăți. În unele galaxii, stelele vizibile sunt atât de rare încât materia întunecată reprezintă 99,9 la sută din masa galaxiei.

Primii teoreticieni au crezut că această materie invizibilă era doar materie normală prea slabă pentru a fi văzută: stele eșuate numite pitice maro, stele arse sau găuri negre. Cu toate acestea, așa-numitele obiecte masive compacte din halo – MACHO – au scăpat de descoperire, iar la începutul acestui an, un studiu al galaxiei Andromeda realizat de Telescopul Subaru a exclus practic orice populație semnificativă nedescoperită de găuri negre. Cercetătorii au căutat găuri negre rămase din universul foarte timpuriu, așa-numitele găuri negre primordiale, căutând străluciri bruște produse atunci când acestea trec prin fața stelelor de fundal și acționează ca o lentilă slabă. Ei au găsit exact una – prea puține pentru a contribui în mod semnificativ la masa galaxiei.

„Acest studiu a eliminat destul de mult posibilitatea MACHO-urilor; aș spune că a dispărut destul de mult”, a spus Murayama.

WIMP-urile – particule masive cu interacțiune slabă – nu s-au descurcat mai bine, în ciuda faptului că au fost în centrul atenției cercetătorilor timp de câteva decenii. Acestea ar trebui să fie relativ mari – de aproximativ 100 de ori mai grele decât protonul – și să interacționeze atât de rar unele cu altele încât sunt denumite „slab” interacționante. Se credea că interacționează mai frecvent cu materia normală prin gravitație, ajutând la atragerea materiei normale în aglomerări care cresc în galaxii și, în cele din urmă, generează stele.

SIMP-urile interacționează cu ele însele, dar nu și cu altele

SIMP-urile, precum WIMP-urile și MACHO-urile, teoretic ar fi fost produse în cantități mari la începutul istoriei universului și de atunci s-au răcit până la temperatura cosmică medie. Dar, spre deosebire de WIMP-uri, SIMP-urile sunt teoretizate ca interacționând puternic cu ele însele prin intermediul gravitației, dar foarte slab cu materia normală. Una dintre posibilitățile propuse de Murayama este că un SIMP este o nouă combinație de quarci, care sunt componentele fundamentale ale unor particule precum protonul și neutronul, numite barioni. În timp ce protonii și neutronii sunt compuși din trei quarci, un SIMP ar fi mai mult ca un pion, conținând doar doi: un quarc și un antiquarc.

SIMP-ul ar fi mai mic decât un WIMP, cu o dimensiune sau secțiune transversală asemănătoare cu cea a unui nucleu atomic, ceea ce implică faptul că există mai multe dintre ele decât ar exista WIMP-uri. Un număr mai mare ar însemna că, în ciuda interacțiunii lor slabe cu materia normală – în primul rând prin împrăștierea acesteia, spre deosebire de fuziunea cu materia normală sau descompunerea în materie normală – ele ar lăsa totuși o amprentă pe materia normală, a spus Murayama.

El vede o astfel de amprentă în patru galaxii care se ciocnesc în cadrul clusterului Abell 3827, unde, în mod surprinzător, materia întunecată pare să rămână în urma materiei vizibile. Acest lucru ar putea fi explicat, a spus el, prin interacțiuni între materia întunecată din fiecare galaxie care încetinește fuziunea materiei întunecate, dar nu și pe cea a materiei normale, practic stelele.

„O modalitate de a înțelege de ce materia întunecată este în urma materiei luminoase este că particulele de materie întunecată au de fapt o dimensiune finită, se împrăștie unele față de altele, astfel încât atunci când vor să se deplaseze spre restul sistemului sunt împinse înapoi”, a spus Murayama. „Acest lucru ar explica observația. Acesta este genul de lucru prezis de teoria mea conform căreia materia întunecată este o stare legată de un nou tip de quarcuri.”

SIMP-urile depășesc, de asemenea, un eșec major al teoriei WIMP: capacitatea de a explica distribuția materiei întunecate în galaxiile mici.

„A existat această enigmă de lungă durată: dacă vă uitați la galaxiile pitice, care sunt foarte mici, cu destul de puține stele, ele sunt într-adevăr dominate de materie întunecată. Și dacă treceți prin simulări numerice ale modului în care materia întunecată se aglomerează, acestea prezic întotdeauna că există o concentrare uriașă spre centru. O culme”, a declarat Murayama. „Dar observațiile par să sugereze că acea concentrare este mai plată: un nucleu în loc de un cuspid. Problema nucleu/cusp a fost considerată una dintre problemele majore ale materiei întunecate care nu interacționează altfel decât prin gravitație. Dar dacă materia întunecată are o dimensiune finită, precum un SIMP, particulele pot face „clink” și se pot dispersa, iar acest lucru ar aplatiza de fapt profilul de masă spre centru. Aceasta este o altă „dovadă” pentru acest tip de idee teoretică.”

Cercetări în curs pentru WIMP-uri și axioni

Experimentele la sol pentru a căuta SIMP-uri sunt în curs de planificare, mai ales la acceleratoare precum Large Hadron Collider de la CERN din Geneva, unde fizicienii sunt mereu în căutarea unor particule necunoscute care se potrivesc cu noile predicții. Un alt experiment la preconizatul International Linear Collider din Japonia ar putea fi, de asemenea, utilizat pentru a căuta SIMP-uri.

În timp ce Murayama și colegii săi perfecționează teoria SIMP-urilor și caută modalități de a le găsi, căutarea WIMP-urilor continuă. Experimentul cu materie întunecată Large Underground Xenon (LUX), desfășurat într-o mină subterană din Dakota de Sud, a stabilit limite stricte cu privire la modul în care poate arăta un WIMP, iar un experiment îmbunătățit, numit LZ, va împinge aceste limite și mai departe. Daniel McKinsey, profesor de fizică la UC Berkeley, este unul dintre coinițiatorii acestui experiment, lucrând îndeaproape cu Lawrence Berkeley National Laboratory, unde Murayama este cercetător principal al facultății.

Fizicienii caută, de asemenea, alți candidați pentru materia întunecată care nu sunt WIMP-uri. Facultatea de la UC Berkeley este implicată în două experimente care caută o particulă ipotetică numită axion, care ar putea îndeplini cerințele pentru materia întunecată. Experimentul Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr), condus de Dmitry Budker, profesor emerit de fizică, care se află acum la Universitatea din Mainz, în Germania, și de teoreticianul Surjeet Rajendran, profesor de fizică la UC Berkeley, intenționează să caute perturbații în spinul nuclear cauzate de un câmp axionic. Karl van Bibber, profesor de inginerie nucleară, joacă un rol cheie în Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF), care urmărește să detecteze axioni în interiorul unei cavități de microunde în cadrul unui câmp magnetic puternic, pe măsură ce aceștia se convertesc în fotoni.

„Bineînțeles că nu ar trebui să renunțăm la căutarea WIMP-urilor”, a spus Murayama, „dar limitele experimentale devin foarte, foarte importante. Odată ce ajungeți la nivelul de măsurare, unde vom fi în viitorul apropiat, chiar și neutrinii ajung să fie fundalul experimentului, ceea ce este de neimaginat.”

Neutrinii interacționează atât de rar cu materia normală încât se estimează că aproximativ 100 de trilioane zboară prin corpurile noastre în fiecare secundă fără ca noi să ne dăm seama, lucru care îi face extrem de greu de detectat.”

„Consensul comunității este de genul, nu știm cât de departe trebuie să mergem, dar cel puțin trebuie să ajungem la acest nivel”, a adăugat el. „Dar pentru că în mod cert nu există semne de apariție a WIMP-urilor, oamenii încep să gândească mai larg în aceste zile. Să ne oprim și să ne gândim din nou la asta”.

.