Ślady antymaterii w promieniach kosmicznych ponownie otwierają drogę do poszukiwań „WIMP” jako ciemnej materii.
Naukowcy sugerują, że obserwacje antyhelu w promieniach kosmicznych mogą wskazywać na obecność WIMP, teoretycznych cząstek, które mogą zawierać ciemną materię. Badanie, które ponownie wzbudziło zainteresowanie tą nieuchwytną materią, podważa istniejące modele astrofizyczne i wskazuje na potrzebę opracowania nowych, bardziej egzotycznych teorii fizyki cząstek elementarnych.
Odkrywanie tajemnic ciemnej materii
Jednym z największych wyzwań współczesnej kosmologii jest odkrycie natury ciemnej materii. Choć wiemy, że istnieje (stanowi ponad 85% materii Wszechświata), nigdy nie zaobserwowaliśmy jej bezpośrednio i nie mamy pewności co do jej składu. Niedawne badanie opublikowane w czasopiśmie Journal of Cosmology i Astrofizyki Cząstek zbadali ślady antymaterii w kosmosie, które mogą wskazywać na nową klasę wcześniej niewykrytych cząstek, znanych jako WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), które są potencjalnymi składnikami ciemnej materii. Badanie wskazuje, że ostatnie obserwacje „antyjąder” w promieniowaniu kosmicznym pokrywają się z istnieniem WIMP, co sugeruje, że cząstki te mogą być jeszcze dziwniejsze, niż sobie wyobrażaliśmy.
Hipoteza WIMP-a
„WIMP to cząstki, o których twierdzono, ale nigdy ich nie zaobserwowano, i które mogą być idealnymi kandydatami na ciemną materię” – wyjaśnia Pedro De la Torre Luque, fizyk z Instytutu Fizyki Teoretycznej w Madrycie. Inne i inne cząstki powstają tylko dzięki grawitacji i słaba siła oddziaływania, jedna z czterech podstawowych sił, która działa tylko na bardzo bliskie odległości.
Kilka lat temu społeczność naukowa okrzyknęła „cudem”: wydawało się, że WIMP spełniają wszystkie wymagania stawiane ciemnej materii, a kiedy „wyobraziono sobie”, czym mogą być i jak można je wykryć, sądzono, że w ciągu za kilka lat mielibyśmy pierwszy bezpośredni dowód na ich istnienie. Wręcz przeciwnie, badania prowadzone w ostatnich latach doprowadziły do wykluczenia całych klas tych cząstek na podstawie ich specyficznej emisji. Obecnie, choć nie wykluczono całkowicie ich istnienia, zakres możliwych typów WIMP znacznie się zawęził, wraz z metodologiami prób ich wykrywania. „Spośród wielu zaproponowanych modeli, które miały najlepszą motywację, większość została dziś odrzucona i tylko kilka z nich przetrwało do dziś” – mówi De la Torre Luque.
Nowe odkrycia ożywiają badania
Wydaje się jednak, że niedawne odkrycie ponownie otworzyło sprawę. „Oto niektóre obserwacje z eksperymentu AMS-02” – wyjaśnia De la Torre Luque. AMS-02 (Alfa Magnetyczny Spektrometr) to eksperyment naukowy na pokładzie Międzynarodowa Stacja Kosmiczna który bada promienie kosmiczne. „Liderzy projektu ujawnili, że w promieniach kosmicznych wykryli ślady antyjąder, w szczególności antyhelu, czego nikt się nie spodziewał”.
Aby zrozumieć, dlaczego te antyjądra są ważne dla WIMP i ciemnej materii, należy najpierw zrozumieć, czym jest antymateria.
Antymateria: kosmiczna anomalia
Antymateria to forma materii o ładunku elektrycznym przeciwnym do „normalnych” cząstek materii. Jeśli chodziłeś na lekcje fizyki w szkole, wiesz, że zwykła materia, to co nas otacza, składa się z cząstek o ujemnym ładunku elektrycznym, takich jak elektrony, ładunek dodatni (protony) lub ładunek obojętny. Antymateria składa się z cząstek „lustrzanych” o przeciwnych ładunkach (elektron „dodatni”, pozyton, „ujemny” proton itp.). Kiedy materia i antymateria spotykają się, unicestwiają się nawzajem, emitując silne promieniowanie gamma. W naszym wszechświecie, złożonym głównie ze zwykłej materii, znajduje się niewielka ilość antymaterii, czasami bliżej, niż mogłoby się wydawać, biorąc pod uwagę, że pozytony są używane jako środki kontrastowe w badaniu obrazowym PET, któremu niektórzy z Was mogli przejść.
Część tej antymaterii powstała – jak uważają naukowcy – podczas Wielki Wybuchale więcej jest ciągle tworzonych przez określone zdarzenia, co sprawia, że obserwacja jest bardzo istotna. „Jeśli widzisz produkcję antycząstek w ośrodku międzygwiazdowym, po którym spodziewasz się bardzo niewiele, oznacza to, że dzieje się coś niezwykłego” – wyjaśnia De la Torre Luque. „Dlatego obserwacja antyhelu była tak ekscytująca”.
Antihelium: sygnał z ciemnej materii?
To, co wytwarza jądra antyhelu obserwowane przez AMS-02, może w rzeczywistości być WIMP. Zgodnie z teorią, gdy spotykają się dwie cząstki WIMP, w niektórych przypadkach ulegają one anihilacji, co oznacza, że niszczą się nawzajem, emitując energię i wytwarzając zarówno cząstki materii, jak i antymaterii. De la Torre Luque i jego współpracownicy przetestowali niektóre modele WIMP, aby sprawdzić, czy są one zgodne z obserwacjami.
Badania potwierdziły, że niektóre obserwacje antyhelu są trudne do wytłumaczenia znanymi zjawiskami astrofizycznymi. „Teoretyczne przewidywania sugerują, że chociaż promienie kosmiczne mogą wytwarzać antycząstki w wyniku interakcji z gazem w ośrodku międzygwiazdowym, ilość antyjąder, zwłaszcza antyhelu, powinna być niezwykle mała” – wyjaśnia De la Torre Luque. „Spodziewaliśmy się wykrycia jednego zdarzenia antyhelu co kilkadziesiąt lat, ale około dziesięć zdarzeń antyhelu zaobserwowanych przez AMS-02 jest o wiele rzędów wielkości wyższych niż przewidywania oparte na standardowych interakcjach promieniowania kosmicznego. Dlatego te antyjądra są wiarygodną wskazówką do anihilacji WIMP.”
Poza WIMP: odkrywanie bardziej egzotycznych cząstek
Ale może być ich więcej. Jądra antyhelu obserwowane przez AMS-02 składają się z dwóch różnych izotopów (tego samego pierwiastka, ale z różną liczbą neutronów w jądrze), antyhelu-3 i antyhelu-4. W szczególności Antihelium-4 jest znacznie cięższy i znacznie rzadszy.
Wiemy, że produkcja cięższych jąder staje się coraz mniej prawdopodobna w miarę wzrostu ich masy, zwłaszcza w wyniku naturalnych procesów z udziałem promieni kosmicznych, dlatego też obserwacja tak dużej ich liczby jest znakiem ostrzegawczym. „Nawet w najbardziej optymistycznych modelach WIMP mogłyby jedynie wyjaśnić ilość wykrytego antyhelu-3, ale nie antyhelu-4” – kontynuuje De la Torre Luque, a to wymagałoby wyobrażenia sobie cząstki (lub klasy cząstek) jeszcze dziwniejszej niż Proponowane dotychczas WIMPy, czyli w żargonie technicznym, jeszcze bardziej „egzotyczne”.
Nowa granica w fizyce cząstek
Zatem badanie De la Torre Luque i jego współpracowników wskazuje, że droga do WIMP nie jest jeszcze zamknięta. Obecnie potrzebnych jest wiele bardziej precyzyjnych obserwacji i być może będziemy musieli rozszerzyć lub dostosować model teoretyczny, być może wprowadzając nowy ciemny sektor do standardowego modelu znanych dotychczas cząstek, z nowymi „egzotycznymi” elementami.
Odniesienie: „Modele propagacji promieni kosmicznych wyjaśniają perspektywy wykrywania antyjąder” autorstwa Pedro De La Torre Luque, Martina Wolfganga Winklera i Tima Lindena, 4 października 2024 r., Journal of Cosmology i Astrofizyki Cząstek.
DOI: 10.1088/1475-7516/2024/10/017
