PRE DVE I PO HILJADE GODINA, veliki grčki mudrac Empedokle došao je do zapanjujućeg otkrića: utvrdio je da postoji vazduh! Znalo se doduše za vazduh i ranije, ali mu se nisu pripisivala nikakva svojstva, a Empedokle je svrstao vazduh u jedan od četiri esencijalna elementa koji su osnov svega. Ostala tri elementa su zemlja, vatra i voda. Samo za razliku od ta tri elementa vazduh niti vidimo, niti možemo da ga opipamo, niti da ga čujemo, niti okusimo. Ništa. A onda je Empedokle rekao da je vazduh (uz ona tri) osnovni elemenat. Razume se da mu mnogi nisu verovali. 

Sve to me je podsetilo na tamnu materiju. Ni nju niti vidimo, niti čujemo, niti.. niti bilo šta, samo znamo da postoji i to posredno preko njenog dejstva na ostalu materiju – kao što i za vazduh znamo po vetru koji savija grane.

Zbog svega ovog, a u želji da sebi razjasnim veliku misteriju setio sam se profesora Milana MIJIĆA.

- Dobro profesore reci ti nama: šta je to tamna materija, od čega je i ako postoji zašto je ne vidimo? Nije to samo moja želja da znam, nego je i želja svih naših čitalaca. Na tako jednostavno pitanje mora da postoji i neki jednostavan odgovor!

- Pošten i jednostavan odgovor je da ni posle pola veka istraživanja ne znamo šta je „tamna materija“!

Tako je odgovorio profesor i nastavio: Ali postoji dobro zasnovana hipoteza, koja je u stvari radna paradigma: 

• „Tamna materija“ su oblaci masivnih, električno neutralnih čestica  koje još nismo zapazili u laboratorijskim eksperimentima. 

Kako ova hipoteza objašnjava astronomska posmatranja?

Pošto imaju masu, čestice „tamne materije“ gravitaciono privlače jedna drugu, pa se više njih slegne ka sredini njihovog oblaka. Ako takav oblak prožima galaksiju on daje dodatnu privlačnu silu na zvezde u njoj pa one zvezde koje su opstale u orbitama mora da imaju veće brzine nego što bi očekivali ako njih privlače samo ostale zvezde koje vidimo. Baš kako su izmerili Kent Ford i Vera Rubin, a posle  njih i brojni drugi astronomi.

Ako takav oblak prožima celo jato galaksija, na galaksije u jatu tada takođe postoji dodatna gravitaciona sila, baš kako je davno izmerio Fric Cviki.

	Slika jata galaksija Abel 1689, dobijena Hablovim svemirskim teleskopom. Ljubičasti oblak je izmerena raspodela oblaka “tamne materije” u koje je uronjeno ovo jato. Na slici se ne vidi, ali oko svake individualne galaksije gustina “tamne materije” je povećana. Izvor.

Masa oblaka čestica „tamne materije“ daje doprinos gravitacionom savijanju putanja svetlosnih zraka koji prolaze kroz ili blizu takvog oblaka. Bez tog dodatnog učešća astronomi ne mogu da objasne mereno savijanje svetlosnih zrakova oko galaksija i jata galaksija. 

Postoje i druga astronomska merenja koja nije moguće objasniti bez prisustva oblaka čestica „tamne materije.“ U nekim situacijama oblik, veličina, i gustina tih oblaka su izmereni preko njihovih gravitacionih efekata na okolinu.

Zašto ne vidimo „tamnu materiju“?

„Tamnu materiju“ ne vidimo jer po ovoj hipotezi čestice „tamne materije“ nemaju električni naboj! 

	Osnovni proces elektromagnetne interakcije. Naelektrisana čestica, kao elektron, može da emituje ili apsorbuje elektromagnetne talase, kao svetlost. Električno neutralna čestica ne interaguje sa elektromagnetnim poljem, oni se „mimoilaze“, pa su čestice „tamne materije“ nevidljive.

Jedan od osnovnih zakona prirode je da samo naelektrisane čestice mogu da emituju ili apsorbuju elektromagnetne talase, kao što je svetlost. Na primer, u slučaju atoma (bilo kog elementa) koji su kao celina električno neutralni, elektroni unutar tih atoma apsorbuju ili emituju svetlost. Fizičari zamišljaju čestice „tamne materije“ kao elementarne čestice, bez sastavnih delova. Ako su takve čestice bez električnog naboja one su „nevidljive“ za svetlost ili bilo koju vrstu elektromagnetnih talasa.

„Tamna materija“ je dakle nevidljiva ili prozirna masa. Kako je došlo do toga da se uobičajeno zove „tamna“, objašnjeno je na drugom mestu u AM 

Koji su mogući kandidati za čestice „tamne materije“?

Možda najperspektivniji kandidat je takozvani „dodatni“ neutrino, jedan ili više njih. 

Eksperimentalno, neutrino je otkriven kao čestica koja učestvuje u radioaktivnim raspadima izazvanim takozvanom slabom fundamentalnom silom. Po vrlo uspešnom Standardnom modelu fizike elementarnih čestica i fundamentalnih sila, neutrino je električno neutralna čestica bez mase mirovanja, koja se uvek kreće brzinom svetlosti. Međutim eksperimenti dovoljno jasno pokazuju da neutrino ima malu masu mirovanja.

Rešenje tog konflikta zahteva postojanje dodatnog neutrina, čija masa može da bude osetno veća od ovog neutrina koji znamo. Takav „ekstra neutrino“ je odličan kandidat za česticu „tamne materije.“

	Instaliranje komponente detektora u traganju za dodatnom vrstom neutrina, u nacionalnoj laboratoriji Fermilab, kod Čikaga. Jedan od nekoliko eksperimenata sa ovim ciljem. Izvor.

Drugi perspektivni i još uvek hipotetičan kandidat je čestica po imenu aksion, koja je predložena kao deo rešenja jedne nekonzistentnosti u opisu najkompleksnije fundamentalne sile, takozvane jake sile. Neobično svojstvo aksiona je da se očekuje da oni imaju veoma male mase mirovanja, ali je njihova gustina velika (da, svuda oko nas!) a brzine kretanja male, tako da mogu da reprodukuju sve posmatrane efekte „tamne materije.“ 

	Ubrzivač visoke preciznosti univerziteta Aahen, jedan od nekoliko pokušaja da se potvrdi postojanje aksiona. Izvor.

 

Treći kandidat je povezan sa hipotezom takozvane super-simetrije elementarnih čestica, po kojoj za svaku poznatu elementarnu česticu postoji još ne primećen partner, uvek veće mase. Ova spekulativna ideja pomaže u razumevanju nekih tehničkih problema u fizici čestica, i što je ovde manje važno, vodi do takozvane teorije struna.

Među dodatnim super-partnerima poznatih čestica postoje i one koje su električno neutralne. Među tim česticama ona sa najmanjom masom, takozvani neutralino, morala bi da bude stabilna i masivna, pa predstavlja odličan kandidat za česticu „tamne materije.“

	Najviše nade za potvrdu postojanja neutralina i drugih super-partnera se polaže u moćni LHC laboratorije CERN. Obojen linije označavaju različite čestice proizvedene sudarom dva protona, koje se registruju u džinovskom detektoru ATLAS, ovde prikazanom šematski. Teorija predviđa da u milijardama sudara treba da dođe do malo verovatne proizvodnje nekoliko neutralina.  Izvor.

Postoje i drugi kandidati, motivisani više teorijskim hipotezama a manje tehničkim nedostacima postojećeg opisa fundamentalnih sila,

Nažalost, teorija ne može da tačno predskaže masu bilo koje od ovih čestice. Tako da ni jedan od ovih kandidata nije do sada eksperimentalno nađen u laboratoriji. Dalja traganja su u toku.

Da nije sve ovo nesigurno teorijsko maštanje, daleko od realnosti?

Ne, jer, kao prvo, naučili smo šta nije „tamna materija“! 

To nisu astronomski objekti kao zvezde slabog sjaja, ili planete koje lutaju između zvezda. Nisu ni lutajuće crne rupe! Niti gas ili prašina. 

U stvari, računi nukleo-sinteze u ranom svemiru su pokazali da „tamna materija“ ne može da bude ništa što se sastoji od istih elementarni čestica – protona, neutrona, i elektrona, kao nama poznata materija.

To je dalekosežan zaključak! Oko tri i po decenije, od početka sedamdesetih pa do pre oko petnaestak godina, stotine ako ne i hiljade astronoma i fizičara je provelo dobar deo svog radnog veka da bi sa sigurnošću došlo do ovog zaključka.

A potpuno nezavisno, na početku tog perioda, dogodilo se da su fizičari elementarnih čestica uspeli da formulišu opis poznatih osnovnih interakcija: elektromagnetne, slabe i jake. Sve je izgledalo i izgleda dobro, ali ostala su neka otvorena pitanja. Mogući odgovori na neka od tih pitanja zahtevaju postojanje novih, dodatnih elementarnih čestica, koje do sada nisu registrovane u laboratoriji.

Fizičari su dakle zaključili da u prirodi treba da postoji nešto još neviđeno, dok su astronomi ustanovili da postoji nešto što ne znaju šta je?!

Tako je prirodno nastala hipoteza da su ta dva problema povezana: „tamna materija“ se sastoji od čestica koje su neophodne za kompletan opis fundamentalnih sila. Zato se traga za dodatnim neutrinima, aksionom, neutralinom, i drugim kandidatima.

Videćemo šta će se dogoditi do kraja ove decenije. Novi, moćni teleskopi kao Veb, Euklid, a uskoro i Roman, biće u stanju da precizno izmere raspodelu „tamne materije“ oko velikog broja galaksija.  Kosmolozi koji se bave analizom posmatranja i numeričkim simulacijama su već sada u stanju da testiraju sa velikom preciznošću širok spektar kandidata. Primera radi, neke od tih simulacija traju mesecima, koristeći na hiljade procesora! 

Sa eksperimentalne strane LHC mašina u CERN-u je dostigla svoju maksimalnu energiju i sistematski povećava broj registrovanih sudara i proizvedenih čestica, tako da se povećava šanse da se primete i rezultati malo verovatnih procesa kao što su interakcije obične i „tamne materije.“ Paralelno, postoji nekoliko podzemnih laboratorija specijalno namenjenih fizici neutrina, kao i brojni eksperimenti malih razmera gde fizičari pokušavaju da „uhvate“ čestice „tamne materije“ koje su prisutne svuda oko nas. Opet se radi i malo verovatnim događajima, ali zbog velike gustine „tamne materije“, uz vešt dizajn eksperimenta postoji realna šansa za detekciju.

Broj talentovanih astronoma, fizičara i inženjera koji rade na direktnoj potvrdi „tamne materije“ je sada veći ikad. Tehnologija koja se koristi je vrhunska. Teško je verovati da potraga neće biti uspešna.

---