Być może za dwa lata zobaczymy ciemną materię

Tajemnicza ciemna materia, której grawitacyjne "cienie" od dawna obserwujemy w kosmosie, składać może się z neutralin - sugerują tak pewne teorie. Fizycy ze Świerku szacują, że dzięki nowym detektorom w ciągu dwóch lat dowiemy się czy neutralina istnieją czy nie.

Ciemnej materii jest we Wszechświecie niemal sześć razy więcej niż materii barionowej, tworzącej nasz codzienny świat. Choć jednak naukowcy domyślają się, że musi ona istnieć, to do dziś nie wykryto nawet jednej jego cząstki elementarnej. Dobrym kandydatem na takie cząstki są neutralina, przewidywane przez wychodzące poza obecną fizykę supersymetryczne teorie budowy materii.

Z badań grupy teoretyków z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku (NCBJ), prowadzonych przez prof. Leszka Roszkowskiego wynika, że właśnie budowany, a być może nawet obecnie działające detektory, powinny w najbliższych dwóch latach ostatecznie potwierdzić istnienie tego rodzaju neutralin - lub je wykluczyć. O badaniach poinformował w przesłanym PAP komunikacie rzecznik NCBJ Marek Sieczkowski.

Wyniki teoretyków ze Świerka omawiano podczas konferencji COSMO-15, która w tym tygodniu przyciągnęła do Warszawy prawie ćwierć tysiąca fizyków cząstek, astrofizyków i kosmologów z całego świata.

Obecność ciemnej materii jest dziś postulowana m.in. na podstawie analizy ruchów gwiazd w galaktykach i galaktyk w gromadach galaktyk. Obiekty te poruszają się z prędkościami większymi od oczekiwanych, a więc pod wpływem silniejszych pól grawitacyjnych niż wynikające z obecności w ich pobliżu dużych, widzialnych mas, takich jak galaktyczne jądra czy sąsiednie galaktyki. Przypuszcza się, że ów dodatkowy wkład do grawitacji to efekt istnienia nowej formy materii, trudnej w detekcji, bo praktycznie nieoddziałującej z promieniowaniem elektromagnetycznym.

Mimo wielu lat badań wciąż nie wiadomo, jakie cząstki tworzą ciemną materię. Jeszcze niedawno przypuszczano, że może się ona składać z neutrin, ale badania to wykluczyły. Obiecującymi kandydatami na ciemną materię są hipotetyczne, słabo oddziałujące masywne cząstki, znane pod ogólną nazwą WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Szacuje się, że mogą one mieć masę nawet na kilkuset lub więcej mas protonów. Prawdopodobnym kandydatem na cząstki ciemnej materii są też aksjony. One z kolei miałyby mieć niezwykle małą masę, miliony miliardów razy mniejszą od masy protonu.

Kilku najbardziej "podejrzanych" wyłania się również z teorii supersymetrycznych. Przewidują one, że każdy rodzaj cząstek elementarnych w opisującym budowę materii Modelu Standardowym ma swojego bardziej masywnego, supersymetrycznego partnera. Supercząstki o bardzo dużych masach mogą być nietrwałe i rozpadać się na mniej masywne supercząstki, jednak najmniej masywna supercząstka powinna być stabilna. W teoriach, w których taka supercząstka w niewielkim stopniu oddziałuje ze zwykłą materią, staje się ona dobrym kandydatem na ciemną materię i jest znana jako neutralino.

- Analizy naszej grupy badawczej sugerują, że jeśli neutralino naprawdę istnieje, powinniśmy móc je zaobserwować za pomocą właśnie oddawanych do użytku nowych detektorów - tłumaczy prof. Roszkowski.

W oszacowaniach najbardziej prawdopodobnych wartości masy neutralin jako ciemnej materii grupa z NCBJ uwzględniła najnowsze wyniki doświadczalne, m.in. masę bozonu Higgsa. Z wyliczeń grupy prof. Roszkowskiego wynikło, że najlżejsza cząstka supersymetryczna, czyli neutralino, powinna mieć masę ze stosunkowo wąskiego zakresu energii, obejmującego okolice tysiąca mas protonu.

Neutralino o masie ok. tysiąca mas protonu oznacza, że cząstki supersymetryczne są prawdopodobnie zbyt masywne, by można je było wyprodukować w akceleratorze LHC. Jednocześnie cały zakres możliwych mas i oddziaływań samego neutralina niemal w całości leży w zasięgu poszukiwań właśnie uruchamianego detektora tzw. jednotonowego XENON1T w laboratorium w Gran Sasso niedaleko Rzymu.

- Wkrótce się przekonamy, czy neutralino o masie ok. 1000 mas protonów było jedynie zgrabną hipotezą, czy też jest częścią fizycznej rzeczywistości - mówi Roszkowski i przyznaje, że nowe doświadczenia będą mogły ją odkryć, lub też wykluczyć.

- Dla naszej grupy najbliższe dwa lata będą więc szczególnie ekscytującym okresem - uśmiecha się badacz.

Konferencja COSMO, na której przedstawiono oszacowania mas potencjalnych cząstek ciemnej materii, jest organizowana od 1997 roku (tegoroczna edycja ma miejsce w Warszawie). Uczestnicy dyskutują m.in. nad zagadnieniami dotyczącymi ciemnej materii i ciemnej energii nad strukturą Wszechświata w największych skalach oraz jego ewolucją w fazach bliskich Wielkiemu Wybuchowi.

PAP - Nauka w Polsce