După multe decenii de evoluție, cercetătorii încă nu știu din ce este formată cea mai mare parte a materiei universului.
Acest mister va fi o provocare pentru viitoarele generații: o cursă pentru a descoperi ce este materia întunecată. Această substanță evazivă ne-a mistificat încă din anii 1930, când astronomii și-au dat seama pentru prima dată că galaxiile au avut nevoie de un fel de lipici gravitațional invizibil pentru a le ține împreună. Nimeni nu știa ce este, așa că a apărut denumirea de materie neagră. Se crede că universul conține de 5 ori mai multă materie neagră decât materie „normală”. Asta înseamnă că aceasta se ascunde chiar sub nasul nostru.
Cu toate acestea, deși este omniprezentă, cercetătorii știu foarte puține lucruri despre materia dominantă din univers. Materia întunecată ar putea fi formată dintr-un anumit tip de particule sau din mai multe. Aceste particule ar putea fi foarte grele sau foarte ușoare. Se crede că aceasta interacționează doar cu alte tipuri de materie (chiar ea însăși), prin intermediul gravitației, dar se poate dovedi că materia întunecată poate avea interacțiuni cu orice forță a naturii, cunoscută sau necunoscută.
Abordând toate aceste posibilități, fizicienii au restrâns numărul candidaților materiei negre. Precum caii de curse, aceste tipuri de particule se află într-o întrecere pentru a câștiga ceea ce s-ar putea numi Cursa Materiei Negre, concurând prin teorie, experimente și observații.
Cursele actuale variază de la cele mai mari, până la cele mai mici din univers, de la galaxii, până la particule subatomice. Pentru a ajunge la linia finală, cercetătorii sunt răcoriți la propriu. Multe experimente implică materiale care nu îngheață când ajung la punctul lor de îngheț, precum xenonul lichid, care sunt aduse la temperaturi foarte scăzute, fiind foarte ușor pentru atomii materialelor să se ciocnească de particulele rătăcite ale materiei întunecate și să dezvăluie existența acestora.
Cea mai cotată particulă a fost WIMP (interacțiunea slabă a particulelor masive), dar aceasta nu s-a arătat în ciuda cercetărilor intense. Între timp, o altă concurentă extrem de apreciată, numită MACHO (obiectul masiv și compact înconjurat de un nimb) a ieșit din discuție, simpla sa existență nefiind demascată.
Miza nu ar putea fi mai mare. Dacă orice candidat câștigă, acesta ar rescrie modul în care funcționează universul, de la cele mai fundamentale niveluri.
Cântărind la scară subatomică
Masele particulelor sunt măsurate în unități numite giga-electroni volți sau GeV. Un proton obișnuit cântărește doar 1 GeV, electronii având 0.0005 GeV, iar cea mai grea particulă cunoscută, numită quarc-ul de sus, are 172,9 GeV.
Particula WIMPs: Interacțiunea slabă a particulelor masive
Anul în care a fost propusă: 1985 Masa: 1-1000 GeV
Când vine vorba de materie întunecată, fizicienii au pariat cele mai mari sume pe WIMPs. Aceste entități au fost descoperite la mijlocul anului 1980, conectând fizica macroscopică cu cea microscopică.
Dezvoltat pe parcursul mai multor decenii, modelul standard este un succes științific uluitor. Cu o precizie specifică, acesta descrie trei din cele patru forțe ale naturii: forțe electromagnetice, forțe nucleare puternice și forțe nucleare slabe. De asemenea, modelul poate fi îmbunătățit, acesta neputând descrie a patra forță a naturii, gravitația, și neexplicând deloc materia întunecată.
O îmbunătățire a modelului standard, numită supersimetrie, a reușit să acopere lipsurile modelului standard. Acesta umple golurile prin propunerea unor particule noi, mai grele, pentru toate particulele cunoscute. Amestecând aceste particule, se observă că masa lor totală se potrivește cu valoarea estimată a masei materiei negre. Cosmologii se gândeau deja la conceptul WIMPs fără să aibă idee ce ar putea fi, iar dintr-o dată au obținut o potrivire. Presupunând că partenerii mai grei ai supersimetriei erau WIMPs, a rezolvat totul perfect, cercetătorii poreclind acest fenomen „miracolul WIMP”. În mod convenabil, aceste WIMPs vor interacționa cu materia normală foarte slab, dar suficient cât să le facă sesizabile.
Deși s-au investit sume mari în experimentele din 2016 și 2017, WIMPs nu au atins așteptările cercetătorilor. În mai 2018, modelul XENON1T din Italia, cel mai mare de pe planetă, a raportat că nu a găsit nimic. În toate cele 3 experimente, containere gigantice de xenon lichid s-au folosit pentru a surprinde materia neagră, care, în mod ideal și ocazional, dezvăluie materia neagră prin care se presupune că „înotăm” mereu.
De asemenea, WIMPs nu au apărut în alte experimente. Teoriile sugerează că acestea se pot distruge una pe alta sau se întârzie, rezultând un val de raze gama, însă cercetătorii nu au găsit dovezi convingătoare. În acest sens, mulți fizicieni se așteaptă ca cel mai puternic accelerator de particule, Large Hadron Collider, să producă particule noi și grele, inclusiv WIMPs. Datorită deceniilor în care nu s-a descoperit nicio particulă grea, fizicieni pun sub semnul întrebării întreaga teorie despre supersimetrie.
Fizicianul Jodi Cooley de la Universitatea Metodică de Sud din Dallas spune că: „WIMPs sunt încă candidate minunate”. „Unii oameni sunt gata să le arunce sub autobuz, dar eu nu cred că ar trebui să facă asta prea repede”.
Particula Axion
Anul în care a fost propusă: 1977 Masa: 1/10¹⁶ GeV
După un început nefast, particula axion este acum în cursă. Fizicienii au descoperit această particulă în încercarea de a rezolva o problemă legată de forța nucleară puternică, una dintre cele patru forțe fundamentale. Problema acestor particule este că sunt delicate atunci când simt forța puternică. Ele nu se comportă diferit atunci când încărcările lor electrice sunt comutate sau când particulele sunt răsturnate. Modelul standard se descurcă perfect cu acestea, dar îi deranjează pe cercetători. Aceștia au venit cu o idee pentru a le explica rigiditatea neobișnuită. Explicația sugerează că universul este plin cu aceste particule ipotetice, numite axioni.
De asemenea, axionii se încadrează în bugetul pentru descoperirea materiei negre. Aceste particule au o masă ridicol de mică, nașterea universului, Big Bang-ul, putând izbucni într-o abundență de axioni, destul cât să constituie toată materia neagră din cosmos. Fizicianul Gray Rybka menționează că: „O mare cantitate din energia universului timpuriu se trage din aceste particule”. „Deoarece ele nu interacționează prea mult cu nimic, avem toate aceste resturi de materie prin univers”.
ADMX este primul dispozitiv care are sensibilitatea necesară pentru a sesiza axionii. Este un cilindru metalic de 4 metri, îngropat în podea și adus la temperatura de aproape 0 absolut, pentru a anula orice perturbare a semnalelor infinit-zecimale produse de undele radio.
Particula neutrin steril
Anul în care a fost propusă: 1970 Masa: ~1 GeV
Neutrinul steril a fost exclus cândva din lista candidaților pentru titlul de materie neagră, dar s-a reîntors cu forțe proaspete. Aceste particule sunt omniprezente și sunt de trei tipuri, ignorând materia, trecând prin corpurile noastre și orice altceva de circa sute de trilioane de ori pe secundă. Acestea ating ocazional materia prin intermediul forței nucleare slabe. Neutrinul steril nu interacționează cu altceva, dincolo de gravitație.
Ideea de neutrin steril a luat avans când un experiment din 1990 a înregistrat un exces de un anume tip, electron neutrin, peste celelalte două tipuri. Particulele ar fi trebuit să apară într-un număr aproximativ egal. Prin experimente s-a observat că particulele de neutrin se transformă spontan dintr-un tip în altul. Teoreticienii au postulat că acest tip apare deoarece o parte din neutrini sunt temporar într-o a patra stare, tipul steril, înainte de a se transforma în electron neutrin. La finalul altor observații, care au contrazis ideea, fizicienii au considerat acest rezultat ca fiind pur și simplu noroc.
În iunie 2018, un al doilea experiment, numit MiniBooNE, a dat același rezultat, după 15 ani de cercetare. Acesta se află la Fermi National Accelerator Laboratory, în apropierea orașului Chicago. Acesta este o sferă de aproape 12 metri, umplută cu peste 800 de tone de ulei mineral. Instrumentul înregistrează licăririle de lumină emise foarte rar, atunci când particulele de neutrin se izbesc de atomii de ulei.
Presupunând că neutrinii sterili se dovedesc adevărați, aceștia nu au suficientă masă și nu sunt nici într-un număr foarte mare, astfel încât să constituie cea mai mare parte a materiei întunecate. Așa cum neutrinii sterili sunt de 3 tipuri, multiple tipuri de neutrini sterili, cu mase diferite, ar putea exista. Mergând mai departe, neutrinii s-ar putea să nu fie singurele tipuri de particule cu un echivalent steril. Cercetătorii au așteptări mari. Lansarea neutrinilor sterili vor deschide ușa către un nou tărâm al fizicii, unul peste modelul standard, numit, dramatic, sectorul negru.
Acest tărâm al umbrelor ar putea fi în întregime un model neconvențional, plin de particule nesesizabile, care interacționează între ele în jurul nostru. Fotoni negri, gluoni negri, quarci negri și multe altele vor fi descoperite. Fizicianul Van de Water de la Laboratorul National Los Alamos spune că: „Trebuie să existe undeva o conexiune între sectorul negru și modelul standard, iar neutrinii sterili ar putea fi aceasta”.
Particula SIMPs: Interacțiunea puternică a particulelor masive
Anul în care a fost propusă: 2014 Masa: ~0.1 GeV
Se poate ca fizicienii să fi pariat pe caii greșiți până acum? Hitoshi Murayama, un fizician teoretician de la Universitatea California, Berkeley, crede asta. El spune că: „Este ceva greșit în gândirea tradițională despre materia neagră”. Împreună cu Yonit Hochberg de la Universitatea Hebrew din Ierusalim, Murayama a ajutat la construirea SIMP, o nouă rasă de particulă a materiei negre.
Candidații de top anteriori sunt considerați particule elementare indivizibile. Pe de altă parte, SIMPs sunt particule compuse, particule făcute din alte particule mai mici. Murayama spune că: „SIMP este similară cu particulele pe care deja le-am văzut”. Cele mai comune exemple de particule compuse sunt protonii și neutronii care formează materia normală din jurul nostru.
Cea mai mică părticică dintr-un proton, neutron sau SIMPs, se numește quarc. În cazul quarc-ului, acesta va fi compus dintr-un quarc împerecheat cu un antiquarc ipotetic. Fizica particulelor compuse este bine înțeleasă, iar gradul de familiaritate ar face mai ușoară detectarea particulelor SIMPs, decât candidații exotici indivizibili.
SIMPs ar fi sociabile din fire, interacționând puternic cu ale SIMPs. Sunt diferite de WIMPs, care interacționează slab între ele, dar și cu materia normală. Astfel, particulele SIMPs s-ar ciocni de alte particule, precum bilele de biliard.
Materia neagră, în mișcarea ei browniană, ar ajuta la explicarea a două observații astronomice cheie pentru explicarea WIMPs. Prima ia în considerare coliziunea unor galaxii. Astronomii au dedus că o mare cantitate de materie neagră s-a desprins din galaxia-mamă în urma unei ciocniri cosmice ce a avut loc acum 1,4 bilioane de ani lumină. Asta sugerează că materia neagră este împinsă împotriva ei și nu poate pluti împreună cu stelele vizibile și gazul, așa cum WIMPs ar trebui să o facă. O a doua analiză, folosind măsurători mai precise, sugerează că materia neagră nu poate fi separată de galaxia ei.
O altă observație implică distribuția materiei negre în galaxiile mai mici. Simulările computerizate arată că din cauza gravitației, WIMPs ar trebui să se grupeze, formând grupuri dense de materie neagră în centrul galaxiilor, însă materia neagră pare să se împrăștie uniform, astronomii negăsind aceste bucăți de WIMPs.
Ar trebui să existe destule SIMPs pentru a explica toată materia neagră din univers, față de cerințele complicate ale teoriilor celorlalte particule. Murayama spune că: „SIMPs poate constitui, fără probleme, 100% din materia neagră”.
Speranța stă în acceleratoarele de particule ca SuperKEKB. Aceste mașinării ciocnesc electronii ușori de opușii lor proveniți din antimaterie, putând astfel să rezulte, ocazional, SIMP.
La sfârșitul anului 1980, cercetătorii au sperat că MACHOs, o cantitate mare de materie normală care era pur și simplu greu de detectat, ar putea să răspundă întrebărilor despre materia neagră.
Aceste obiecte ar varia de la planete, la stele eșuate și până la găuri negre. Din păcate, modele bazate pe teoria Big-Bang-ului se chinuie să producă destulă materie normală pentru a umple cosmosul. Mai mult decât atât, observațiile au exclus orice populație vastă de găuri negre clandestine, care ar trebui să se îndepărteze, una de alta, atunci când gravitația lor îndoaie lumina. Un studiu din octombrie 2018 a scos din joc MACHO-urile, punând restricții grave asupra posibilității existenței unor găuri negre primordiale, monștri ipotetici născuți în universul timpuriu, fiind ultimul rezervor plauzibil de materie necunoscută.
WIMPs, SIMPs . . . sau GIMPs?
Singura forță simțită cu siguranță, atât de materia normală, cât și de materia întunecată, este gravitația. În consecință, unii cercetători au creat modele gravitaționale ale materiei întunecate, denumite GIMPs (particule masive care interacționează gravitațional).
Conceptul nu este nou. Acesta subliniază că toată materia neagră lipsă este conținută în găurile negre și se comportă ca niște particule gigantice.
Fizicienii au determinat GIMPs ca fiind particule elementare necesare în teoriile universului, asta incluzând o a cincea dimensiune spațială. Din ce putem spune, încă sunt doar trei, plus timpul.
Se poate ca cel mai sălbatic cal din herghelie să fie interacțiunea cu materia neagră Plankian, PIDM. Acesta este format din particule individuale, care ar putea cântării fiecare la fel de mult ca 10 cvadrilioane de protoni. Apariția PIDM în universul timpuriu trebuie să fi lăsat o amprentă a Big Bang-ului, numită microundă cosmică, pe care cercetătorii o studiază pentru a găsi indicii despre originea universului. Următoarele generații de instrumente ar putea fi suficient de sensibile pentru a putea determina dacă caii materiei negre câștigă sau dacă mai trebuie să meargă la păscut.