JAN 24.2013 – Materia neagră abundă în Univers. Nimeni nu știe în ce constă aceasta. Fizicienii de la Universitatea din Oslo au pus la punct o explicație matematică ce ar putea rezolva misterul odată pentru totdeauna.
Astronomii au cunoscut încă de acum 80 de ani că cea mai mare parte a Universului constă dintr-o materie necunoscută, întunecată. Soluția acestui mister s-ar putea afla la îndemâna noastră.
”Căutăm un nou membru al grădinii zoologice de particule pentru a explica materia neagră. Știm că este un animal foarte exotic. Și avem o explicație foarte plauzibilă pentru asta”, a precizat Are Raklev, profesor asociat în fizica particulelor de la Universitatea din Oslo, către revista magazin Apollon. Acesta este un teoretician de frunte în fizica astro-particulelor și a lansat un model care explică din ce anume ar putea fi formată materia întunecată și cum ar putea fi descoperite experimental particulele invizibile.
Chiar dacă materia întunecată este invizibilă, astrofizicienii știu că ea există. Fără această materie neagră este imposibil de explicat cum stau împreună lucrurile vizibile din univers.
O luptă de 80 de ani
Faimosul fizician Fritz Zwicky a speculat asupra materiei întunecate încă la începutul anilor 1930. Astrofizicienii au calculat că 80% din masa întregului Univers este formată din materie invizibilă întunecată. Datorită gravitației, materia întunecată este grupată asemănător materiei vizibile.
Materia întunecată poate explica de ce stelele se deplasează așa cum o fac. Materia întunecată poate explica de asemenea vitezaa de rotație a galaxiilor.
”Deși putem calcula cât de multă materie întunecată există în univers, știm de fapt foarte puțin ce este materia întunecată. Particulele materiei întunecate ar trebui să aibă ori foarte multă masă ori să fie extraordinar de multe. Neutrinii îndeplinesc toate cerințele materiei întunecate. Dar există doar o mică problemă: ei au mult prea puțină masă”.
Are Raklev încearcă acum să demonstreze că materia neagră constă din gravitno. Aceasta este o particulă care a fost tratată pe nedrept. Și ce sunt acești gravitinos? Țineți-vă bine: gravitinos sunt partenerul supersimetric al gravitonilor. Pentru a fi mult mai clari: ”Gravitinos sunt partenerul supersimetric al particulelor gravitoni, așa încât este imposibil să prezici o particulă mai ipotetică decât aceasta”, a zâmbit Raklev, care a scris pe site-ul său că se află în căutarea materiei întunecate atât sub patul său cât și în alte locuri.
Pentru a intra în profunzimea ipotezei lui Raklev privind consistența în gravitinos a materiei întunecate, și pentru a putea înțelege teoria cu gravitinos, este necesară o aprofundare a problemei prin câțiva pași înapoi:
Pasul 1. Supersimetria
Fizicienii vor să afle dacă natura este sau nu este supersimetrică. Supersimetria înseamnă că există o simetrie între materie și forțe. Pentru fiecare tip de electron și quarc există un partener corespunzător în greutate supersimetric. Particulele supersimetrice au fost create în momentul instant de după Big-Bang. Dacă unele dintre acestea au supraviețuit până astăzi, ele pot fi constituite din ceea ce conține materia neagră. Partenerul supersimetric al lui gravitino este, după Apollon, gravitonul.
”Un graviton este particula care credem că mediază forța gravitațională, precum fotonul, particula de lumină care mediază forța electromagnetică. Deși gravitonii nu au greutate, gravitinos ar putea avea o greutate foarte mare. Dacă natura sa este supersimetrică și gravitonii există, atunci există și gravitinos. Și vice versa. Este matematică pură”. Dar … există un mic dar. Fizicienii nu pot demonstra relația dintre gravitoni și gravitinos înainte de a fi reușit să unifice toate forțele naturii.
Pasul 2. Forțele naturii
Unul dintre cei mai mari pași ai cunoașterii pe care fizicienii încearcă să-l facă este să unifice toate forțele naturii într-o singură teorie. La mijlocul secolului trecut, fizicienii au descoperit că electricitatea și magnetismul sunt parte ale aceleiași forțe a naturii. Această forță a fost numită electromagnetism. Alte două forțe ale naturii sunt forța nucleară puternică și forța nucleară slabă. Forța nucleară slabă poate fi văzută, printre altele, în radioactivitate. Forța nucleară puternică este de 10 miliarde de ori mai puternică și leagă împreunp neturonii și protonii. În anii 1970, electromagnetismul a fost unificat cu forțele nucleare puternică și slabă în ceea ce fizicienii au numit modelul standard. A patra forță a naturii este gravitația. Chiar dacă este îngrozitor de dureros să cadă de pe podium, gravitația este cea mai slabă dintre forțele naturii. Problema este că fizicienii nu au reușit încă să unifice gravitația cu celelalte trei forțe ale naturii. Ziua în care fizicienii vor obține o înțelegere unificată a celor patru forțe ale naturii va fi ziua în care va fi obținută înțelegerea asupra lumii. Aceasta va face posibilă descrierea tuturor interacțiunilor dintre poate particulele posibile în natură. Fizicienii numesc aceasta ToE Theory – teoria asupra TOTULUI.
”Pentru a putea unifica forța gravitațională cu celelalte forțe ale naturii, trebuie să înțelegem gravitația ca o teorie quantum. Aceasta înseamnă că avem nevoie de o teorie în care particula graviton este inclusă în nucleul atomic”. Cercetătorii caută acum semne ale supersimetriei și teoriei asupra TOTULUI. Descoperirea gravitonului ar fi un pas enorm în această direcție.
Dezvăluirea materiei întunecate
Așa cum cititorul probabil a înțeles, este destul de dificil să cercetezi materia întunecată. Asta pentru că materia întunecată nu are nici o relație electromagnetică cu particulele terestre. Un exemplu de materie întunecată este neutrinul menționat anterior. Din păcate, neutrinii sunt doar o parte imperceptibilă, foarte mică a materiei întunecate.
Chiar dacă nu a fost posibil să observăm materia întunecată, câteva miliarde de neutrini ne traversează corpurile în fiecare secundă. Totuși, viteza acestora este cumva limitată. Particulele se mișcă la fel de încet precum sistemul nostru solar se deplasează în galaxie. Cu alte cuvinte, viteza este de 400 km/secundă.
”Acolo unde nu există o relație electromagnetică cu particulele vizibile, particulele ne pot traversa fără ca vreun instrument de măsură să le poată detecta. Aici intervine supersimetria. Dacă supersimetria este corectă, fizicienii pot explica de ce există materie neagră în univers.”, spune Raklev. Acesta susține acum că aceasta constă în mare parte din gravitinos.
”Supersimetria simplifică totul. Dacă teoria asupra a TOT există, adică dacă este posibil să unifici toate cele patru forțe ale naturii, atunci și gravitinos trebuie că există”. Gravitinos s-au format imediat după Big-Bang.
”La foarte scurt timp după Big-Bang exista o supă de particule în coliziune. Gluonii, care sunt purtătorii de forță ai particulelor în forța nucleară puternică s-au ciocnit cu alți gluoni și au emis gravitinos. Mulți gravitinos s-au format după Big-Bang, în timp ce universul era încă în stare de plasmă. Deci avem o explicație pentru existența gravitinos.”
Schimbarea duratei de viață
Fizicienii au considerat până acum gravitinos ca o problemă. Ei au considerat că teoria supersimetriei nu se aplică aici pentru că sunt prea mulți gravitinos. ”Fizicienii au încercat, prin urmare, să înlăture gravitinos din modele lor. Pe de altă parte noi am identificat o nouă explicație care unifică modelul supersimetriei cu materia întunecată care constă din gravitinos. Dacă materia întunecată nu este stabilă, dar ci s-a menținut doar foarte mult timp, este posibil să explicăm cu materia întunecată constă din gravitinos.”
În vechile modele, materia întunecată era considerată veșnică. Asta însemna că gravitinos au fost erau o parte deranjantă pentru modelul supersimetriei. În noul model al lui Raklev, durata existenței gravitinos nu mai este veșnică. Cu toate acestea, durata de viață a gravitinos este foarte lungă, de fapt mai lungă decât durata de viață a universului. Totuși, este o mare diferență între proiectarea veșniciei și cea a unei durate de viață de peste 15 miliarde de ani. Cu o durată de viață limitată, gravitinos trebuie să fie convertite în alte particule. Este exact efectul de conversie care poate fi măsurat. Și conversia explică modelul.
”Noi credem că aproape întrega materie neagră este formată din gravitinos. Explicația rezidă în matematică. Noi dezvoltăm modele speciale ce calculează consecințele acestor teorii și prezic comportamentul particulelor ce pot fi observate în experimente.”
Măsurătorile sunt în curs de desfășurare
Cercetătorii încearcă acum să testeze această teorie experimental și să explice de ce aceste particule nu au fost încă văzute în experimentele CERN de la Geneva, în Elveția. ”Pe de altă parte, este teoretic posibil să le observi dintr-o sondă spațială”.
Cea mai simplă cale de a observa gravitinos este studierea a ceea ce se întâmplă dacă două particule se ciocnesc în univers și sunt convertite în alte particule, cum ar fi fotonii sau antimateria.
Chiar dacă aceste coliziuni survin foarte rar, există destul de multă materie neagră în univers încât un număr semnificativ de fotoni să poată fi produși. Marea problemă este că gravitinos nu se ciocnesc. ”Sau se întâmplă atât de rar încât nu am putea spera să observăm vreodată acest lucru”.
Cu toate acestea există speranță.
”Din fericire pentru noi, gravitinos nu sunt stabili 100%. Ei sunt convertiți în altceva la un anumit moment. Noi putem anticipa cum ar arăta semnalul unei asemenea conversiuni gravotinos. Conversia va trimite un val electromagnetic mic. Acesta este de asemenea numit val de raze gama.”
Sonda spațială NASA Fermi-LAB măsoară actualmente razele gama. Iar mai multe grupuri de cercetare studiază datele obținute. ”Până acum am văzut doar zgomot. Dar unul dintre grupurile de cercetare pretinde că a observat un surplus mic dar suspect de raze gama provenind din centrul galaxiei noastre. Observațiile lor s-ar putea încadra modelului nostru”, a spus omul din spatele acestui model matematic dificil al materiei întunecate, profesor asociat în teoretica particulelor fizice, Are Raklev.
NASA’s Fermi-LAT space probe is currently measuring gamma rays. A number of research groups are now analysing the data.
Sursa: ScienceDaily
Traducere și adaptare: C. Crișan
