Taman kad smo mislili da smo nešto ukapirali o ustrojstvu vaseljene i kako ona radi, 70-ih godina je započeo haos koji se do danas ne miruje. Naprotiv! Standardni Lambda CDM model kaže da naš kosmos sadrži samo 5% 'obične' materije i energije, 27% tamne materije i 68% vrstu energije koju zoveme tamnom energijom. Čak i kad bi sve znali o kosmosu – a kaleko smo od toga – naše znanje bi obuhvatalo samo 5% kosmosa, jer mi vidimo i merimo samo toliko! O ostatku nemamo pojma! Znamo da postoji, ali nit' ga vidimo, nit' ga osećamo. Nemamo pojma ni od čega bi se sastojao, jer u 'našem' kosmosu nema takvih čestica. Ne znamo ni dal' je ta materija 'vrela', 'hladna' ili makar 'topla' – samo pretpostavljamo da je ima oko 2,241×10-27 kg/m3.
Da bi vaseljena postojala i funkcionisala kako mi zamišljamo da funkcioniše trebalo bi da poseduje određenu masu, ali kada sve saberemo što vidimo i što bi trebali da vidimo, svu materiju i antimateriju, svu egzotiku koju zamišljamo da 'tamo negde' postoji, još uvek nam fali ogromna količina. Zato je uveden koncept tamne materije i njoj pridružene energije.
Budući da tamna materija još nije direktno posmatrana, ali ako postoji, pretpostavljamo jedva da stupa u interakciju s običnom barionskom materijom i zračenjem, osim preko gravitacije. Velika većina naučnika danas veruje da je većina tamne materije nebarionske prirode; tj. da se sastoji od još neotkrivenih subatomskih čestica. Glavni kandidati za tamnu materiju su neke nove vrste elementarnih čestica koje još nisu otkrivene. Aktivno se poduzimaju mnogi eksperimenti za direktno otkrivanje i proučavanje čestica tamne materije, ali nijedan još nije ni blizu uspeo.
Dakle, znamo (samo na osnovu matematike) da tamne materije ima makar pet puta više od sve materije koju mi vidimo i 'proučavamo' u kosmosu, ali nemamo pojma od čega je tačno napravljena. Pretpostavlja se da se sastoji od masivnih čestica koje slabo komuniciraju s normalnom materijom, od čestica koje se obično zovu WIMPs (weakly interacting massive particles). Proračuni izvedeni iz posmatranja dalekih galaksija nedvosmisleno ukazuju da od ukupne mase univerzuma na tamnu materiju mora da otpada 85%, i zajedno s tamnom energijom, predstavlja najveću misteriju moderne fizike i kosmologije.
Ako se tamna materija sastoji od WIMP-ova, dok čitate ove retke, milijarde čestica moraju da šišaju kroz Sunce, Zemlju i vaša tela, a da mi to ne primećujemo (ja primećujem). Za njih smo mi i naša planeta potpuno prozirni, ili bolje rečeno, gotovo potpuno prozirni, jer se neke čestice s vremena na vreme ipak moraju da sudare sa atomima u našem telu. Koliko često? Pa, to zaviso od mase sretne čestice. U nedavnom članku, istraživači dr Katherine Freese i dr Christopher Savage proučavali su kako tamna materija utiče na ljudsko telo (da, postoje pa'tó ljudi[1]) i zaključili da se između deset i sto hiljada WIMP-ova sudara s atomima ljudskog tela svake godine (uglavnom sa atomima kiseonika).
Učestalost sudara prema mogućim masama čestica tamne materije prema nultim ili delomičnim rezultatima različitih eksperimenata (K. Freese i sar.).
Učestalost sudara u zavisnosti od vrste atoma i uzima li se u obzir spin ili ne (K. Freese i sar.).
Ok, ne čini se baš kao precizan rezultat, ali moramo imati na umu da će tačan broj zavisiti od mase čestica tamne materije, činjenice koju trenutno ne znamo (zavisi i od toga hoćemo li ili ne uzeti u obzir spin u disperzijama). Ako čestice tamne masu imaju masu od recimo 60 gigaelektronvolta[2] (GeV), prema nultim rezultatima eksperimenata CDMS-Si i XENON, tada bismo govorili o desetak sudara godišnje. Ako je njihova masa niža, u rasponu od 10-20 GeV, kao što privremeni rezultati eksperimenata DAMA/LIBRA, CoGeNT i CRESST pokazuju, dobili bi smo 100.000 sudara godišnje. Za analizu se pretpostavlja da ljudsko telo ima masu 70 kg a da galaktička tamna materija zauzima homogenu kuglu i ima brzinu od oko 270 km/s. Nepotrebno je reći da su učinci tih sudara na funkcionisanje ljudskog tela potpuno zanemarivi, bilo da se radi o deset ili sto hiljada sudara godišnje, kao što je to slučaj i sa famoznim neutrinima, o kojima sam pisao lane.
Da, znam da ova studija neće obezbediti Nobelovu nagradu za svoje autore, ali bilo mi je u najmanju ruku vrlo smešno. Ono što je uistinu uznemirujuće jeste da tajna tamne materije ostaje nerazrešena i nakon toliko godina traženja. Nadam se da je ishod blizu.
Šta ako stvarno pored ove naše materije u kosmosu postoji more nama nevidljivih i nemerljivih čestice, koje uopšte ne stupaju u interakciju sa 'našim' česticama već žive svoj život u svom kosmosu?
Ko su WIMP-ovi?
Po definiciji, BWIMP-ovi ostvaruju međusobne interakcije vrlo retko i slabo i očekuje se da imaju masu između 10 i 1000 GeV. Jedina uočljiva interakcija koju WIMP-ovi mogu pretrpjeti s 'normalnom' materijom je raspršivanje i to je ono što detektori tamne materije pokušavaju da uhvate kroz različite procese.
WIMP-ovi potiču iz teorije Supersimetrije[3] i postoji nekoliko razumnih mogućnosti. Podrazumeva se da WIMP-ovi tamne materije moraju biti neke od najlakših supersimetričnih čestica (LSP), koje su stabilne. Četiri glavna kandidata za LSP su sneutrino, gravitino, aksino i neutralino.
Sneutrino je SUSY bozonski partner neutrina i očekuje se da će imati masu u rasponu od 55,0 GeV do 2,3 TeV. Nažalost, sneutrino je isključen kao moguća dominantna komponenta tamne materije direktnim galaktičkim pretragama tamne materije, koje su istraživale područje sneutrino-nukleon preseka i nisu uočile ove čestice.
Gravitino je 3/2-spinski fermionski SUSY partner, još neotkrivenom, gravitonu. Njegova slaba gravitaciona sprega s materijom, međutim, znači da ga je gotovo nemoguće direktno otkriti, a to je trenutno i kandidat za WIMP sa manje pogodnosti.
Aksino je superpartner aksiona i očekuje se da ima slična svojstva kao gravitino. Međutim, aksini nisu trenutno jedan od najpopularnijih kandidata tamne materije.
Postoje četiri neutralina, koja su kombinacija fermionskih superpartnera neutralnog B, Z i Higsovih bozona. Od navedenih, najlakši neutralino je omiljeni kandidat za tamnu materiju, a očekuje se da će imati masu u rasponu od 37 GeV do 500 GeV, s tim da donja granica dolazi iz eksperimenata sa kolajderima, a gornja granica iz WMAP-ovog merenja gustine mase–energije materije u Svemiru. Najlakši neutralno trenutno je omiljeni kandidat za tamnu materiju širom svijeta.
SUSY WIMP-ovi, konkretno neutralino, trenutno je najpoželjniji kandidat za tamnu materiju, budući da teoriji SUSY ne trebaju biti nametnuta dodatna ograničenja kako bi oni uzeli u obzir tamnu materiju, to je jednostavno prirodni rezultat odvajanja SUSY čestica nakon Velikog praska. Većina eksperimenata s tamnom materijom, dakle, traži ove čestice.
[1] Pošto smatram da moje čitaoce uvek treba da nagradim i širim znanjem od onoga što tema priče obuhvata, uvek imam fusnote koje niko na sajtu ne ubacuje u svoje priče. Ali povremeno ubacim i još ponešto.
U Španiji je pre II sv. rata postojao jedan toreador poznat kao El Guerra. Smatra se jednim od velikih kordobanskih toreadora, ali je zapamćen i po pametnim i jezgrovitim frazama koje je ubacivao u svoje razgovore. Često je koristio frazu 'Hay gente pa'tó' – za sve postoje ljudi. Meni nije loša ni 'Što ne može biti, ne može biti, a takođe je i nemoguće'.
[2] Prema opreznim pocenama, WIMP-ovi mogu da imaju masu između 10 i 1000 GeV. Slavni Higsov bozon ima masu od 125 GeV.
[3] Teoriju je postavio 1966. japanski nuklearni fizičar H. Miyazawa. SUSY prredstavlja vezi između dve osnovne klase elementarnih čestica: bozona (koji imaju celobrojni spin) i fermiona (imaju poluvrednost spina). Po ovoj teoriji, svaka čestica jedne grupe ima svog superpartnera u drugoj grupi, koji se razlikuje samo po spinu. Superpartneri mogu da budu nove i još neotkrivene čestice, kao npr. 'selektron' (bozonski superpartner elektrona). U najjednostavnijim teorijama supersimetrije, uz savršeno 'nenarušenu' supersimetriju, svaki par superpartnera bi delio istu masu i unutrašnje kvantne brojeve osim spina. Budući da očekujemo da ćemo te 'superpartnere' pronaći pomoću današnje opreme, ako postoji supersimetrija, onda se ona sastoji od spontano narušene simetrije, koja omogućava superpartnerima da se razlikuju u masi. Spontano narušena supersimetrija bi mogla da rešiti mnoge probleme u fizici čestica, uključujući hijerarhijski problem.
