Σκοτεινά Φωτόνια

Ήδη από το 1930, επιστήμονες ανακάλυψαν ότι οι γαλαξίες θα πρέπει να περιέχουν περισσότερη ύλη από αυτή που μπορούμε να παρατηρήσουμε μελετώντας τις κινήσεις των αστεριών. Τη μη παρατηρούμενη ύλη την ονόμασαν σκοτεινή κυρίως γιατί η αλληλεπίδραση της με την κανονική ύλη γίνεται μόνο μέσω της βαρυτικής δύναμης. Η ανίχνευση και η μελέτη της σκοτεινής ύλης είναι ένα από τα ανοιχτά προβλήματα της σύγχρονης αστροφυσικής.

Σύμφωνα με το καθιερωμένο πρότυπο, αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων γίνονται με την ανταλλαγή κάποιων σωματιδίων που είναι οι φορείς των αλληλεπιδράσεων αυτών. Για την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, για παράδειγμα, ο φορέας αυτός είναι το φωτόνιο.

Τα υποτιθέμενα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, είναι γνωστά και ως σκοτεινά φερμιόνια¹. Τα σωματίδια αυτά έχουν πολύ ασθενή αλληλεπίδραση με την ύλη του καθιερωμένου μοντέλου παρόλα αυτά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με παρόμοιο τρόπο όπως η κανονική ύλη. Στην περίπτωση αυτή, φορέας της αλληλεπίδρασής τους είναι ένα νέο σωματίδιο που ονομάζεται σκοτεινό φωτόνιο (Dark Photon). Στο διάγραμμα Feynman στην Εικόνα 1 βλέπουμε ένα παράδειγμα που δύο σκοτεινά φερμιόνια πλησιάζουν και αλληλεπιδρούν ανταλλάσσοντας ένα σκοτεινό φωτόνιο. Οι ιδιότητες του σκοτεινού φωτονίου είναι παρόμοιες με του κανονικού και προτάθηκε πρώτη φορά μέσα στα πλαίσια υπερσυμμετρικών θεωριών. Σε αντίθεση με το κανονικό φωτόνιο που δεν έχει μάζα, το σκοτεινό φωτόνιο προκύπτει σε κάποιες εκφάνσεις των μοντέλων να έχει μάζα αλλά σε κάποιες άλλες να μην έχει.

Η πιο ενδιαφέρουσα περίπτωση που θα αναλύσουμε στο παρόν άρθρο είναι το σκοτεινό φωτόνιο που δεν έχει μάζα. Στην περίπτωση αυτή, τα σκοτεινά φερμιόνια αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο (στη βιβλιογραφία είναι γνωστά και σαν millicharged particles) και θεωρητικά μπορούν να αλληλεπιδράσουν με σωματίδια του καθιερωμένου μοντέλου, όπως το ηλεκτρόνιο, μέσω αλληλεπίδρασης Coulomb². Μια τέτοια αλληλεπίδραση φαίνεται στην Εικόνα 2 όπου ένα σκοτεινό φερμιόνιο φορτίου εe⁻ αλληλεπιδρά με ένα ηλεκτρόνιο για να παράξει ένα σκοτεινό φωτόνιο. Η παράμετρος ε δείχνει πόσο ισχυρά μπορεί το σκοτεινό φερμιόνιο να αλληλεπιδράσει με την ύλη. Διάφορα θεωρητικά μοντέλα υπολογίζουν την τιμή του ε να κυμαίνεται από 0,1 μέχρι 10⁻¹⁰. Εν κατακλείδι, μέσω τέτοιων αλληλεπιδράσεων θα μπορούσε θεωρητικά να ανιχνευθεί η παρουσία των σκοτεινών φερμιονίων σε ένα εύρος ενεργειών από μερικά keV μέχρι TeV³. Σαν μέτρο σύγκρισης για να καταλάβουμε τις ενέργειες αυτές μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη μάζα του ηλεκτρονίου που είναι περίπου 511 keV⁴.

Μέσω της θεωρίας του σκοτεινού φωτονίου, οι επιστήμονες προσπαθούν να οριοθετήσουν τη μάζα του σκοτεινού φερμιονίου, το οποίο αν ανιχνευθεί σε κάποιο πείραμα θα είναι και η επιβεβαίωση της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης. Μέχρι τώρα το πιο πιθανό σενάριο είναι η μάζα των σκοτεινών φερμιονίων να είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των ηλεκτρονίων και να φτάνει την τάξη των GeV ή TeV. Πολλά πειράματα σε εργαστήρια όπως στο CERN, αλλά και με παρατηρήσεις αστροφυσικών πηγών, κυρίως υψηλών ενεργειών  (π.χ. εκρήξεις υπερκαινοφανών) προσπαθούν να εντοπίσουν τα σκοτεινά φερμιόνια, ωστόσο χωρίς επιτυχία. Το μέλλον θα δείξει αν αυτά τα σωματίδια αποτελούν όντως κομμάτι της σκοτεινής ύλης.

Πηγή:

The physics of the dark photon, Marco Fabbrichesi, Emidio Gabrielli, Gaia Lanfranchi, 2020, Springer

¹ Στην κατηγορία των σκοτεινών φερμιονίων ανήκουν και τα λεγόμενα WIMPS (Weakly interacting massive particles). 

² Η αλληλεπίδραση Coulomb στην κλασική ηλεκτροδυναμική είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ δύο ή περισσότερων ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων.

³ 1 eV είναι η ενέργεια που κερδίζει ένα ηλεκτρόνιο όταν η διαφορά δυναμικού αυξάνεται κατά ένα βολτ. Η ενέργεια αυτή ισούται με 1.602 10⁻¹⁹ J. Για παράδειγμα, ενέργεια της τάξης των GeV σημαίνει 10⁹ eV.

⁴ Σύμφωνα με την εξίσωση Ε=mc², η μάζα και η ενέργεια των σωματιδίων είναι ισοδύναμες έννοιες.