Ανίχνευση κατοπτρικής-σκοτεινής ύλης από το πείραμα CRESST;

Posted on 21/07/2018

0


Ἄλλοι τὸν ἄκουσαν νὰ μιλᾶ μοναχὸ καθὼς περνοῦσε
Γιὰ σπασμένους καθρέφτες πρὶν ἀπὸ χρόνια
Γιὰ σπασμένες μορφὲς μέσα στοὺς καθρέφτες
Ποὺ δὲν μπορεῖ νὰ συναρμολογήσει πιὰ κανεὶς

Γιώργος Σεφέρης – Αφήγηση

Η κατοπτρική ασυμμετρία

Έως τις αρχές της δεκαετίας του 1950 οι επιστήμονες πίστευαν πως η κατοπτρική συμμετρία ικανοποιείται από όλες τις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων. Γιατί; Ίσως γιατί όπως ικανοποιούνταν οι άλλες γεωμετρικές συμμετρίες όπως οι περιστροφές και οι μετατοπίσεις στον χώρο, φαινόταν απόλυτα φυσικό να ισχύει το ίδιο και για την κατοπτρική συμμετρία. Η άποψη αυτή επικράτησε μέχρι το 1956, όταν οι Lee και Yang ισχυρίστηκαν ότι οι αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων δεν ήταν κατοπτρικά αναλλοίωτες. Υπέδειξαν πως αυτή η παραδοχή θα μπορούσε να λύσει κάποια άλυτα μέχρι τότε προβλήματα και ταυτόχρονα πρότειναν νέα πειράματα που θα επιβεβαίωναν άμεσα την ιδέα τους.
Έτσι, η C. S. Wu και οι συνεργάτες της την επόμενη χρονιά επιβεβαίωσαν ότι οι αλληλεπιδράσεις των γνωστών σωματιδίων δεν είναι κατοπτρικά συμμετρικές, όπως ακριβώς υπέδειξαν οι Lee και Yang.

Σήμερα, είναι ευρέως αποδεκτό πως η Φύση δεν σέβεται την κατοπτρική συμμετρία, δηλαδή δεν είναι «αριστερά-δεξιά» συμμετρική. Φαίνεται πως ο Θεός είναι αριστερόχειρας.
Αυτό απλά σημαίνει πως αν τα σωματίδια αντικατοπτριστούν σ’ έναν καθρέπτη, η κατοπτρική εικόνα έχει έναν προσανατολισμό ή ιδιότητες οι οποίες είτε δεν απαντώνται καθόλου είτε είναι πολύ σπάνιες στα σωματίδια του αληθινού κόσμου.

Γνωρίζουμε ήδη πολλά παραδείγματα κατοπτρικής ασυμμετρίας στην Φυσική και σε άλλες θετικές επιστήμες.
Όπως στη Χημεία, που εμφανίζεται το φαινόμενο εναντιομέρειας όπου τα επονομαζόμενα χειρόμορφα (chiral) μόρια δεν ταυτίζονται με το κατοπτρικό τους είδωλο και έχουν διαφορετικές ιδιότητες από τα κατοπτρικά τους αντίγραφα, ή τα μόρια του DNA στην βιολογία, τα οποία σχηματίζουν σχεδόν πάντα δεξιόστροφες έλικες. Ή στην ανατομία, όπου η θέση πολλών οργάνων είναι σαφώς κατοπτρικά ασύμμετρη.

Στο βιβλίο του Lewis Carroll «Μεσ’ από τον καθρέπτη», που κυκλοφόρησε το 1899, η Αλίκη υποθέτει ότι το γάλα μέσα από τον καθρέφτη μπορεί να μην έχει τόσο καλή γεύση για τη γάτα, όσο το συνηθισμένο γάλα! [σκίτσο της Meg Hunt]


Όσον αφορά τα στοιχειώδη σωματίδια η ασθενής πυρηνική δύναμη είναι ο ένοχος της παραβίασης της κατοπτρικής συμμετρίας. Για παράδειγμα, σήμερα γνωρίζουμε πως τα νετρίνα – που αλληλεπιδρούν με την ασθενή πυρηνική δύναμη – έχουν σπιν μόνο με έναν προσανατολισμό.

Οι Lee και Yang, για να εξηγήσουν την κατοπτρική ασυμμετρία, υπέθεσαν ορθώς πως μόνο τα αριστερόστροφα και όχι τα δεξιόστροφα σωματίδια αλληλεπιδρούν με την ασθενή πυρηνική δύναμη, την μια από τις τέσσερις γνωστές δυνάμεις. (Πρέπει να ανταλλάξουμε τους όρους αριστερόστροφα και δεξιόστροφα όταν μιλάμε για αντισωματίδια, δηλαδή για σωματίδια με τις ίδιες ιδιότητες αλλά με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο από τα σωματίδια).
Κανείς δεν έχει παρατηρήσει δεξιόστροφο νετρίνο.Το παραπάνω σχήμα παριστάνει τις αλληλεπιδράσεις των γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων. Οι δυνάμεις είναι κατοπτρικά συμμετρικές σαν μια τέλεια σφαίρα, εκτός από την ασθενή αλληλεπίδραση, που παριστάνεται ως ένα αριστερό χέρι. Το είδωλο μέσα στον καθρέπτη προφανώς δεν ταυτίζεται με το πρωτότυπο, υποδηλώνοντας το γεγονός ότι οι αλληλεπιδράσεις των γνωστών σωματιδίων δεν είναι κατοπτρικά συμμετρικές.

Επαναφορά της κατοπτρικής συμμετρίας

Αν η η σφαίρα με το αριστερό χέρι του προηγούμενου σχήματος διέθετε και ένα δεξί χέρι, τότε η κατοπτρική συμμετρία θα ήταν αναλλοίωτη:
Όμως, αυτό δεν συμβαίνει στη φύση, αφού δεν έχουν παρατηρηθεί πειραματικά δεξιόστροφες ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις.

Απομένουν δυο δυνατότητες. Θα μπορούσαμε να κόψουμε το χέρι – αλλά είναι πολύ δραστικό – θα αντιστοιχούσε στο ότι δεν υπάρχουν καθόλου ασθενείς αλληλεπιδράσεις στη φύση, κάτι που καταρρίπτεται από τις παρατηρήσεις.
Η δεύτερη δυνατότητα είναι να προσθέσουμε μια ολόκληρη μορφή, με ένα χέρι στην αντίθετη πλευρά. Τότε προκύπτει μια εικόνα κατοπτρικά συμμετρική όπως βλέπουμε στο παρακάτω σχήμα:
Aυτή η λύση, που διασώζει την κατοπτρική συμμετρία, απαιτεί τον διπλασιασμό του αριθμού των στοιχειωδών σωματιδίων. Για κάθε σωματίδιο όπως το ηλεκτρόνιο, το πρωτόνιο και το φωτόνιο, υπάρχει ένας κατοπτρικός δίδυμος. Αφού τα γνωστά μας σωματίδια είναι αριστερόστροφα, οι κατοπτρικοί δίδυμοί τους είναι δεξιόστροφοι. Αν υπάρχουν τέτοια σωματίδια στη φύση, τότε η κατοπτρική συμμετρία δεν παραβιάζεται.

Τα κατοπτρικά σωματίδια μπορεί να υπάρχουν χωρίς να παραβιάζεται οποιοδήποτε γνωστό πείραμα. Έτσι, θα μπορούσε να πει κανείς πως το πείραμα της Wu μας έδειξε απλά πως τα γνωστά μας σωματίδιά δεν είναι κατοπτρικά συμμετρικά – δεν απέδειξε πως η κατοπτρική συμμετρία παραβιάζεται.

Περισσότερες λεπτομέρειες για την κατοπτρική ύλη:
1. Robert Foot, «Does mirror matter exist?» 
2. Γιώργος Ν. Τριανταφύλλου, «Η γέννηση της μάζας: Το μυστήριο του κατοπτρικού κόσμου» 

Η κατοπτρική ύλη ως σκοτεινή ύλη

Ένα κατοπτρικό σωματίδιο έχει την ίδια μάζα με το αντίστοιχο γνωστό σωματίδιο – κάτι παρόμοιο ισχύει και με τα αντισωματίδια (την αντιύλη). Όμως υπάρχει μια σημαντική διαφορά. Σε αντίθεση με τα αντισωματίδια τα κατοπτρικά σωματίδια αλληλεπιδρούν με τα συνηθισμένα σωματίδια κυρίως με την βαρυτική δύναμη.
Οι υπόλοιπες τρεις δυνάμεις δρούν στα κανονικά και τα κατοπτρικά σωματίδια εντελώς ξεχωριστά. Για παράδειγμα, ενώ τα γνωστά μας φωτόνια αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικά με την συνήθη ύλη, δεν αλληλεπιδρούν με τα κατοπτρικά σωματίδια. Παρομοίως τα κατοπτρικά φωτόνια αλληλεπιδρούν με την κατοπτρική ύλη, όχι όμως με την γνωστή μας ύλη. Συνεπώς δεν μπορούμε να δούμε τα κατοπτρικά φωτόνια, τα οποία αν πέσουν πάνω μας θα μας διαπεράσουν χωρίς καμία αλληλεπίδραση.

Η κατοπτρική συμμετρία απαιτεί τα κατοπτρικά φωτόνια να αλληλεπιδρούν με τα κατοπτρικά ηλεκτρόνια και κατοπτρικά πρωτόνια ακριβώς με τον ίδιο τρόπο που αλληλεπιδρούν τα συνηθισμένα φωτόνια με τα συνηθισμένα ηλεκτρόνια και πρωτόνια.
Μια συνέπεια αυτού του γεγονότος είναι πως είναι δυνατός ο σχηματισμός ατόμων που συνίστανται από κατοπτρικά σωματίδια, τα οποία θα έχουν ακριβώς τις ίδιες ιδιότητες με τα αντίστοιχα γνωστά μας άτομα.

Κι σ’ αυτό το σημείο η κατοπτρική ύλη συνδέεται με ένα από τα άλυτα μυστήρια του σύμπαντος – την σκοτεινή ύλη.

Σύμφωνα με τα προηγούμενα η κατοπτρική ύλη, αν υπάρχει, θα είναι εντελώς αόρατη για μας. Η παρουσία της θα μπορούσε να γίνει αντιληπτή μόνο διαμέσου της βαρύτητας. Εντελώς παρόμοιες ιδιότητες έχει και στην σκοτεινή ύλη. Ενώ δεν την παρατηρούμε, είμαστε σίγουροι ότι υπάρχει εξαιτίας των βαρυτικών αποτελεσμάτων της.

Στο κβαντικό επίπεδο, μικρές νέες θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν μεταξύ συνηθισμένης και κατοπτρικής ύλης. Διάφορες θεωρητικές προτάσεις υποδεικνύουν μερικές πιθανές μορφές αλληλεπιδράσεων, π.χ. αλληλεπίδραση κινητικής ανάμειξης (kinetic mixing). Τέτοιες μη βαρυτικές δυνάμεις είναι εξαιρετικά σημαντικές και ανοίγουν νέες δρόμους για την πειραματική επιβεβαίωση της κατοπτρικής ύλης.

Ανίχνευση κατοπτρικής ύλης από ανιχνευτές σκοτεινής ύλης

Αν η σκοτεινή ύλη συνίσταται από κατοπτρική ύλη, και είναι δυνατή αλληλεπίδρασή της με την συνηθισμένη ύλη διαμέσου της κινητικής ανάμειξης τότε, τα άτομα του κατοπτρικού ηλίου θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με την συνηθισμένη ύλη.
Το κατοπτρικό ήλιο είναι μάλλον ελαφρύ, m ≃3,73 GeV, και συνήθως παράγει, σε πειράματα άμεσης ανίχνευσής του, ανακρουόμενα σωματίδια με ενέργεια μικρότερη από keV. Το πείραμα CRESST-III άρχισε ήδη να διερευνά την περιοχή ενεργειακής ανάκρουσης σε ενεργειακό εύρος ≤ keV και αποτελεί σήμερα τον πιο ευαίσθητο ανιχνευτή τέτοιων σωματιδίων. O Robert Foot στην πρόσφατη δημοσίευσή του με τίτλο «Direct detection of mirror helium dark matter in the CRESST-III experiment», επισημαίνει ότι μια μικρή περίσσεια που παρατηρήθηκε στα δεδομένα ανάκρουσης χαμηλών ενεργειών που λήφθηκαν στο πείραμα CRESST-III μπορεί να οφείλεται στην σκέδαση του κατοπτρικού ηλίου (για το πείραμα CRESST διαβάστε επίσης ΕΔΩ και ΕΔΩ) .

Tα δεδομένα του πειράματος CRESST θα μπορούσαν να δείχνουν την ανίχνευση κατοπτρικής ύλης ηλίου αν η παράμετρος κινητικής ανάμειξης της σκέδασης του κατοπτρικού ηλίου είναι ε≈5×10-10

Καθώς η συλλογή γεγονότων του πειράματος CRESST συνεχίζεται, η πρόταση του R. Foot θα ελεγχθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια και σύντομα θα δοθεί μια οριστική απάντηση στο αν αυτά τα δεδομένα αποδεικνύουν ότι η σκοτεινή ύλη συνίσταται από κατοπτρική ύλη. Όποια κι αν είναι η τελική ετυμηγορία, το πρόσφατο άρθρο του Robert Foot μας έδωσε την ευκαιρία να θυμηθούμε την έννοια της κατοπτρικής ύλης που φιλοδοξεί να διασώσει την κατοπτρική συμμετρία στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων και να ερμηνεύσει την φύση της σκοτεινής ύλης.