COSMO-15: W ciągu dwóch lat możemy zobaczyć pierwsze cząstki ciemnej materii

Tajemnicza ciemna materia, której grawitacyjne „cienie” od dawna obserwujemy w kosmosie, być może składa się z neutralin, cząstek przewidywanych przez supersymetryczne teorie budowy materii. Oszacowania fizyków z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku sugerują, że dzięki nowej, właśnie oddawanej do użytku generacji detektorów, o istnieniu lub nieistnieniu neutralin będzie można ostatecznie rozstrzygnąć już w najbliższych dwóch latach.

Ciemnej materii jest we Wszechświecie niemal sześć razy więcej niż materii barionowej, tworzącej nasz codzienny świat. To tajemniczy składnik kosmosu – 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. Grupa teoretyków z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku, prowadzona przez prof. dr. hab. Leszka Roszkowskiego, zaprezentowała nowe oszacowania dotyczące własności neutralin jako ciemnej materii. Wynika z nich, że właśnie budowany, a być może nawet obecnie działające detektory powinny w najbliższych dwóch latach ostatecznie potwierdzić istnienie tego rodzaju neutralin – lub je wykluczyć. Wyniki teoretyków ze Świerka omawiano podczas konferencji COSMO-15, która 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. Neutrina to cząstki elementarne, które ze zwykłą materią oddziałują nie elektromagnetycznie, a za pomocą sił jądrowych słabych. Siły te są rzeczywiście bardzo słabe: szacuje się, że do zatrzymania strumienia neutrin należałoby użyć tarczy ołowiu grubości całych lat świetlnych. Początkowo wydawało się, że gdyby cząstki te miały niewielką masę (a wciąż nie wiemy, czy ją w ogóle mają), ich skupiska mogłyby pełnić rolę ciemnej materii i wnosić odpowiedni wkład grawitacyjny do ruchów gwiazd i galaktyk.

„Z czasem okazało się, że nawet gdyby neutrina oddziaływały grawitacyjnie, nie byłyby w stanie utworzyć obserwowanych skupisk ciemnej materii. Zatem to nie one są ciemną materią. Obecnie zbliżamy się do etapu, gdy będziemy mogli wiarygodnie potwierdzić lub zanegować istnienie kolejnej grupy cząstek-kandydatów” – mówi prof. Roszkowski (NCBJ).

Obiecującymi kandydatami na ciemną materię są hipotetyczne, słabo oddziałujące masywne cząstki, znane pod ogólną nazwą WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Aby być niewidoczne, cząstki te nie powinny oddziaływać elektromagnetycznie ze zwykłą materią. Początkowo przypuszczano, że masy WIMP-ów odpowiadają kilku masom protonów, teraz szacuje się je nawet na kilkaset lub więcej mas protonów, przy czym różne modele teoretyczne dają różne przewidywania. Prawdopodobnym kandydatem na cząstki ciemnej materii są też aksjony. W przeciwieństwie to WIMP-ów to cząstki o niezwykle małej masie, miliony miliardów razy mniejszej od masy protonu. Ze zwykłą materią powinny oddziaływać przynajmniej miliardy miliardów razy słabiej od... neutrin, co czyni je ekstremalnie trudnymi do wykrycia.

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. Opis supersymetryczny można rozszerzyć na inne przypadki, wyłaniając kolejnych kandydatów na ciemną materię. W supersymetrycznych teoriach uwzględniających grawitację pojawia się grawitino, czyli superpartner grawitonu, hipotetycznej cząstki przenoszącej oddziaływania grawitacyjne. Z kolei supersymetrycznym odpowiednikiem aksjonu byłoby aksino.

„Neutralino, aksino i grawitino są znakomitymi możliwymi rozwiązaniami zagadki ciemnej materii. W tej grupie neutralino jest jednak dość wyjątkowe. Analizy naszej grupy badawczej sugerują bowiem, 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: masę odkrytego w 2012 roku bozonu Higgsa, brak nowych cząstek w obszarze energii penetrowanym przez akcelerator LHC, a także pewne rzadkie rozpady mezonów, w które, jak się przypuszcza, mogą być zaangażowane cząstki supersymetryczne.

„Po odkryciu bozonu Higgsa najbardziej naturalne stało się rozwiązanie, w którym najlżejsza cząstka supersymetryczna, czyli właśnie neutralino, ma masę ze stosunkowo wąskiego zakresu energii, obejmującego okolice tysiąca mas protonu. Nasze oszacowanie jest zaskakująco precyzyjne, ponieważ dotychczas obszar poszukiwań rozciągał się aż na 20-30 rzędów wielkości.” – mówi prof. Roszkowski.

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. Ostatnio pokazaliśmy też, że ,,manipulując” nieco ze stanem Wszechświata tuż po Wielkim Wybuchu ta masa mogłaby większa. Ale nawet wtedy nowe doświadczenia będą mogły ją odkryć, lub też wykluczyć. Dla naszej grupy najbliższe dwa lata będą więc szczególnie ekscytującym okresem” – uśmiecha się prof. Roszkowski.

Konferencja COSMO, na której przedstawiono oszacowania mas potencjalnych cząstek ciemnej materii, jest organizowana od 1997 roku (tegoroczna edycja ma miejsce w Warszawie). Uczestnicy dyskutują nad zagadnieniami dotyczącymi ciemnej materii oraz mogących ją tworzyć cząstek elementarnych, ciemną energią, strukturą Wszechświata w największych skalach oraz jego ewolucją w fazach bliskich Wielkiemu Wybuchowi. Wśród astrofizyków, fizyków cząstek elementarnych i kosmologów uczestniczących w dotychczasowych konferencjach COSMO są takie sławy jak prof. Stephen Hawking z University of Cambrigde czy Andrei Linde ze Stanford University (obaj uczeni do dziś są członkami komitetu nadzorującego konferencji, któremu od początku przewodniczy prof. Roszkowski). Od tego czasu coroczne konferencje odbywały się w wielu wiodących ośrodkach badawczych całego świata, m.in. w Genewie (CERN), Chicago, Cambridge i Tokio.