Tamsiosios materijos paslaptys: po pirmųjų tyrimų dar tamsiau

Dabar neramūs laikai beieškant visatos trūkstamos materijos. Iš pirmo žvilgsnio, taip neturėtų būti. Giliai po žeme, keletas eksperimentų lyg ir aptinka tamsiąją medžiagą, iki šiol nematomą, kuri, manoma, sudaro apie 85 % visos visatos masės. Galutinis tamsiosios materijos (TM) aptikimas būtų didžiulis triumfas, tačiau galiausiai visi tyrimų rezultatai ima prieštarauti tarpusavyje ir mokslininkai atsiduria aklavietėse.

Tačiau kol kas viltys, kad TM prigimtis gali būti greitai atskleista šiais pirmaisiais radiniais, buvo visiškai sužlugdytos. Bėda ta, kad TN skirtingiems detektoriams atrodo skirtingai. Ji atrodo sunkesnė vienuose detektoriuose, nei kituose; atrodo labiau sąveikaujanti vienuose eksperimentuose, nei kituose. Galiausiai ji pasirodo viename instrumente, bet ne kitame – nors abu jie pagaminti iš identiškos medžiagos ir yra praktiškai šalia, toje pačioje požeminėje laboratorijoje.

„Dabartinė situacija gana trikdanti“, – pripažįsta Juan’as Collar’as iš Čikagos universiteto, vadovaujantis CoGeNT tamsiosios medžiagos eksperimentui, vykdomam Sudano Požeminėje laboratorijoje Minesotoje. Ji mato kažką – šimtus kažko, – kas galėtų būti TM dalelės, besitrankančios į detektorių. Bet jei CoGeNT ir kiti eksperimentai išties mato tamsiąją materiją, tada ji nėra tokia, kokią ją kas nors galvojo esant.

Mums reikia tamsiosios materijos. Pradžiai, tai yra kosminiai klijai, sujungiantys galaktikas teikiantys būtiną gravitaciją galaktikų spiečiams formuotis. Jei TM neegzistuoja, tai reiškia, kad mūsų supratimas apie gravitaciją didžiausiu masteliu, yra klaidingas. Tokios minties sau neleidžia dauguma astronomų, kurie deda viltis į tamsiąją materiją ir naudoja galaktikų judėjimo ir sukimosi stebėjimus jos savybių išsiaiškinimui.

Negana to, tamsioji materija yra trūkstama grandis, žengiant už dalelių fizikos Standartinio modelio ribų. Standartinis modelis negali paaiškinti įprastų dalelių masės, ir nors aprašo tris gamtos jėgas kaip apsikeitimą dalelėmis „pasiuntiniais“, aprašyti ketvirtosios, gravitacijos, nepavyko. Norėdami tai atlikti, teoretikai postuluoja apie dar neatrastas daleles, kurios vaidino svarbų vaidmenį įprastos materijos sąveikoje ekstremalioje temperatūroje netrukus po Didžiojo sprogimo, bet dabar poilsiauja, praradusios didžiąją dalį savo potencijos.

Kadangi ir astronomijai, ir dalelių fizikai reikia daugiau dalelių stebėjimų duomenų, kad būtų galima paaiškinti rezultatus, teoretikai pradėjo skaičiuoti jų galimas savybes. Jie apsistojo prie inertiškų ir sunkių (apie 100 GeV, maždaug 100 kartų didesnės masės, nei protonas) silpnai sąveikaujančių masyvių dalelių WIMP (angl. Weakly Interacting Massive Particle), nes sutapimas atrodė tiesiog stebuklingas.

Atsukant laiką 13,7 milijardus metų iki Didžiojo sprogimo, galima apskaičiuoti dabartinį tamsiosios materijos tankį paprasčiausiai iš WIMP masės ir jos sugebėjimo sąveikauti su įprasta materija. Tiksliai nustatę šią masę ir tardami, kad TM sąveikauja silpnąja sąveika, fizikai numatė tiksliai tokį tamsiosios materijos kiekį, kokio, pasak astronomų reikia galaktikų formavimuisi. Šis sutapimas tapo žinomas WIMP stebuklo pavadinimu.

Tačiau galėjome būti apkvailinti. „Pasirodo, kad WIMP stebuklas ne toks jau stebuklingas, kaip kadaise manėme“, – sako Jonathan Feng, tamsiosios materijos teoretikas iš Kalifornijos universiteto Irvine.

Pirmasis požymis, kad kažkas ne taip, pasirodė 2008, kai DAMA eksperimentas Gran Sasso požeminėje laboratorijoje Italijoje pranešė radęs kažką, kas galėjo būti tamsioji materija.

Visi TM eksperimentai atliekami giliai po žeme, kad uolos sulaikytų kosminius spindulius – mirštančių žvaigždžių ir kitokios kosminės egzotikos skleidžiamus atomų fragmentus, įgreitintus iki milžiniškų greičių. Nepaisant to, kosminiai spinduliai prasismelkia neraminančiu reguliarumu. Daugumos TM detektorių užduotis yra užfiksuoti bet kokius keistus nutikimus, kurių negalima lengvai paaiškinti kosminiais spinduliais ar natūraliu radioaktyvumu.

DAMA komanda pasuko kitu keliu. Užuot ieškoję adatų visatos šieno kupetoje, jie skaičiavo visus natrio jodido detektoriaus užfiksuotus atvejus ir tada ieškojo aptikimų skaičiaus metinio kitimo. Tokią metodiką jie grindė tuo, kad kosminiai spinduliai turėtų sklisti erdve atsitiktinėmis kryptimis ir todėl jų turėtų būti aptinkama tiek pat bet kuriuo metų laiku. Toks teiginys teisingas kalbant apie bet kokį radioaktyvumą.

Bet tyrėjai tikisi išvysti tamsiosios materijos signalų sezoniškumą dėl Žemės judėjimo per TM jūrą sezoninio krypties kitimo. Dėl to TM dalelių turėtų būti aptinkama daugiau birželį, kai mūsų planeta per galaktiką iriasi ta pačia kryptimi, kaip ir Saulė ir mažiau gruodį, kai judėjimo kryptys priešingos. DAMA komanda teigė užfiksavusi metinį kitimą, sutampantį su šiuo spėjimu.

Bet greitai pasirodė apgaulingoji TM aptikimo prigimtis. Kitas Gran Sasso eksperimentas, XENON100, kuris naudoja skystą ksenoną, atrodo, paneigė pačias TM daleles, kurias teigė aptikusi DAMA. Kiti rezultatai pritarė XENON100. Tada pernai padėtis vėl pasikeitė. Pirmiausia CoGeNT komanda, naudojanti požeminius germanio detektorius pranešė užfiksavusi panašius į DAMA užfiksuotus metinius pokyčius. Tada trečiasis Gran Sasso eksprimentas, žinomas, kaip CRESST, irgi pranešė apie galimus aptikimus.

Ištremtas į šaltį

Žinoma, DAMA, CoGeNT ir CRESST nesutaria dėl to, ką mato. „Viskas yra labai panašu, bet kol kas nėra tikro sutapimo“, – sako Collar. Tačiau jie visi nurodo daug lengvesnes TM daleles. Visai ne apsunkusios lėtapėdės, WIMP rodosi esančios vikrios skrajūnės, kurių masė 10 GeV – vos dešimtadalis numatytosios.

Nesutampantys detektorių rodmenys nėra vienintelė problema. Nykštukinių galaktikų stebėjimai didina skaičių astronomų, keičiančių nuomonę apie pageidaujamas TM savybes. Jie mano, kad WIMP šiam vaidmeniui nebetinka.

Daugiau problemų pateikia Didysis hadronų greitintuvas (LHC) iš CERN, netoli Ženevos, Šveicarijoje. Jei mūsų supratimas apie tamsiąją materiją teisingas, turėtume sugebėti sukurti WIMP LHC vykdomuose didelės energijos susidūrimuose. Kol kas nieko panašaus neaptikta. WIMP, kokius mes juos žinome gali greitai tapti neįmanomi.

„Galima sukinėti visas teorijos rankenėles ir žiūrėti, ar ji atitinka rezultatus, bet galiausiai to nebeina padaryti“, – sako Feng. Tad gal jau laikas pamiršti WIMP?

Feng’o skaičiavimai rodo, kad galima gauti teisingą TM tankį visatoje imant mažesnę dalelių masę ir padidinant jų gebėjimą sąveikauti. Taip padidinama ir skirtingų TM dalelių tikimybė. „Atsiranda daug krypčių, kai pradedi galvoti už WIMP ribų“, – sako jis.

Vienas iš ilgiausiai pretenduojančių į WIMP tamsiosios materijos karūną yra aksionas. Ši hipotetinė dalelė gali padėti paaiškinti, kodėl vienos silpnosios sąveikos reakcijos dominuoja prieš kitas ir kodėl visatoje yra daugiau medžiagos, nei antimedžiagos.

Atrodo, aksionai žada daug. Tačiau jie irgi yra lėtai judantys, tad axionai kartu su WIMP vadinami „šalta“ tamsiąja materija. Bet kokios šaltos TM bėda ta, kad pradedama abejoti jos egzistavimu.

Būdama dominuojančia materijos forma visatoje, TM turi suteikti formą galaktikoms. Tad iš galaktikų skaičiaus ir jų dydžių turėtume išsiaiškinti ir TM savybes. „Šaltos TM problema ta, kad ji negali paaiškinti mažo mastelio struktūrų nebuvimą visatoje“, – sako Hector lose de Vega iš Teorinės ir aukštųjų energijų fizikos laboratorijos Paryžiuje, Prancūzijoje.

Sakydamas „mažo mastelio“, jis turi galvoje nykštukines galaktikas. Šaltos TM simuliacijos numato dešimtis ir šimtus kartų daugiau nykštukinių galaktikų, nei kas nors matė. Šaltoji TM lengvai sulimpa, nes lėtai juda ir negali pasipriešinti savo pačios gravitacinei traukai. Augant kompiuterių galiai, simuliacijos tampa vis nuodugnesnės ir numato Saulės sistemos dydžio šaltosios TM debesis. Kol kas nerasta jokių tokių struktūrų.

„Šios problemos žinotos jau prieš 20 metų, tačiau gerėjant stebėjimų galimybėms, tampa vis akivaizdesnės“, – pastebi de Vega.

Jis su kolegomis diskutuoja apie lengvesnės, greitesnės dalelės poreikį: „šiltos“ tamsiosios materijos. Tokių dalelių masė būtų ne didesnė už 1/1000 WIMP masės. Tada jos lengvai nesiburtų į mažas struktūras ir nesudarytų tiek daug nykštukinių galaktikų. „Simuliacijos sparčiai progresuoja“, – sako de Vega. „Ateityje tikrai išgirsim daug daugiau apie šiltą tamsiąją materiją.“

Kas sudaro šiltą tamsiąją materiją? Kol kas geriausias spėjimas, kad tai hipotetinio tipo, vadinamieji sterilūs neutrinai. Jie taip vadinami, nes labai nenoriai sąveikauja su įprastine materija kaip nors kitaip, nei gravitaciškai (paprasti neutrinai jaučia ir silpnąją sąveiką). Sterilūs neutrinai taip pat galėtų padėti paaiškinti, kodėl visatoje yra daugia materijos, nei antimaterijos.

Tačiau yra ir naujas veidas, pasak kai kurių mokslininkų, galintis atlikti vaidmenį taip pat gerai: „tamsieji atomai“. Jie galėtų paaiškinti ne tik nykštukinių galaktikų trūkumą, bet, pasak jų išradėjų, ir tamsiosios materijos eksperimentų nesutapimus.

Christopher Wells su kolegomis iš Hjutono koledžo Niujorke pradėjo svarstyti, ar būtų galima suderinti, regis, prieštaringus požemio eksperimentų rezultatus. Jie atrado, kad tai būtų įmanoma, jei tamsioji materija būtų ne viena dalelė, bet tamsusis vandenilio ekvivalentas – tamsusis elektronas besisukantis apie tamsųjį protoną.

Įprastiniai atomai gali keisti savo energijos lygmenį tam tikromis sąlygomis absorbuodami ar išspinduliuodami fotoną. Tamsieji atomai, atsitrenkdami į tamsiosios materijos detektorius, tam pačiam tikslui galėtų naudoti tamsiuosius fotonus, priklausomai nuo cheminės detektoriaus sudėties.

Natrio jodido, kuris naudojamas DAMA eksperimente, atveju, tamsieji atomai pakeistų jo energiją ir taptų matomi. Tuo tarpu ksenonas taip nepaveiktų tamsiųjų atomų, tad dalelė XENON100 eksperimente prasmuktų nepastebėta.

Tamsiųjų atomų idėja dar labai šviežia ir Wells pripažįsta, dar neišsiaiškinęs, kaip dabartinis fizikos teorijų panteonas galėtų motyvuoti jų egzistavimą, nors mano, kad stygų teorija galėtų pasiūlyti kai kurių nuorodų. „Žinome, kad gamtoje yra įprastų atomų, mes spėliojam, ar ji galėjo padaryti tai dar kartą“, – sako jis.

Skausmo pasaulis

Tamsiųjų atomų stiprioji pusė yra nykštukinių galaktikų stygiaus paaiškinimas. Kadangi tamsieji atomai sugertų ir spinduliuotų tamsiuosius fotonus, visata gali būti kupina nematomos tamsios šviesos, kuri nuolat sąveikautų su tamsiųjų atomų debesimis, keldama jų temperatūrą ir versdama juos pūstis. Tai galėtų neleisti formuotis nykštukinėms galaktikoms. „Kol kas tai vis dar juodraštiniai, apytiksliai skaičiavimai“, – pripažįsta Wellsas, pradėjęs rengti simuliaciją geresniam idėjos patikrinimui.

Tačiau daug tyrėjų dar nesirengia atmeti WIMP idėjos. „Manęs teiginiai apie nykštukines galaktikas neįtikina“, – sako Danas Hooperis iš Nacionalinės Fermi laboratorijos Batavijoje, Ilinojuje. „Vis dar statyčiau už WIMP.“

Jis mano, kad trūkstamos nykštukinės galaktikos gali egzistuoti, bet būti nematomos, kadangi sudarytos vien iš tamsiosios medžiagos. Vienas būdas jas aptikti yra gama spindulių paieška, kurie turėtų rastis susiduriant ir suyrant WIMP. NASA Fermi kosminis teleskopas dukart ieškojo tokių gama spindulių netolimose nykštukinės galaktikose, bet iki šiol nieko nerado. Tai nebūtinai reiškia, jog WIMP nėra, jos tiesiog gali būti kitokios formos, nei tikimasi. Dar Hooperis sako, kad šie rezultatai neišbraukia lengvesnių, panašių į požeminiuose eksperimentuose užfiksuotas, WIMP.

Collaris vadina dabartinę fazę „skausmo pasauliu“ ir mano, kad tikriausiai jis dar pablogės prieš pagerėdamas. Dabar, pradėjus kažką matyti, klysta astrofizikai arba dalelių fizikai, arba visas mūsų supratimas apie tamsiąją materiją yra klaidingas.

Visi sutinka, kad norint eiti pirmyn, reikia surinkti daugiau ir geresnių duomenų. Tam reikės jautresnių tamsiosios materijos detektorių Žemėje, geresnių astrofizikinių stebėjimų ir daugiau dalelių greitintuvų eksperimentų.

Tą padės pasiekti Europos kosmoso agentūros „Planck“ kosminis teleskopas. Paleistas 2009, jis daro pačias tiksliausias, kokios tik įmanomos, kosminio mikrobangų fono (KMF) nuotraukas. Nežymūs KMF pokyčiai jautrūs visatos plėtimosi greičiui, kurį savo ruožtu lemia kosmose esančių dalelių sriuba.

„„Planck“ yra tikrai svarbus žaidėjas“, – sako Feng. „Jis galėtų pasakyti užtikrintai ar yra daugiau dalelių, nei mes aptikome.“

Iš NASA'os WMAP palydovo jau yra užuominų, kad KMF rodo neaptiktų dalelių pirštų atspaudus. Tikėtina, kad tai gali būti sterilūs neutrinai ar netgi tamsieji fotonai. „Planck“ gali paversti šias užuominas tvirtais atradimais.

Bet kai teks išsiaiškinti, kas tamsioji materija yra iš tiesų, tikriausiai nebus vieno „eureka!“ momento. Tiesiog šio žvėries prigimtis taps aiški, kai visi į dėlionę sudės savo gabaliukus.

„Tai panašu į pasakojimą apie dramblį“, – sako Feng, turėdamas galvoje indų pasakojimą, kur grupė aklų žmonių liečia skirtingas dramblio dalis ir tada lygina pastebėjimus, stengdamiesi nustatyti žvėries išvaizdą. „Mes visi liečiame skirtingas tamsiosios materijos dalis. Tikimės, kažkurioje stadijoje galėsim tas dalis sudėlioti teisingai ir išvysti, kaip ji atrodo.“

Tikėkimės, taip ir bus. Tik bėda, jog kai kuriose pasakojimo versijose prieštaraujantys požiūriai taip ir nebuvo suderinti, o tiesa taip ir liko neatskleista.