Užfiksuota sezoninė Žemės sąveika su tamsiąja medžiaga

Naujas sezoninis kitimas buvo aptiktas CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology) eksperimente. Rezulatai sutampa su teoriniu modeliu, kuriame tamsiąją medžiagą fizikai aprašo kaip silpnai sąveikaujančias masyvias daleles (angl. Weakly Interacting Massive Particles – WIMPs). Priminsime, jog viena iš tamsiosios medžiagos teorijų teigia, kad ji susideda iš ypatingų dalelių – vimpų (WIMP – Weakly Interactive Massive Particles). Palyginti su elementariosiomis įprastinės medžiagos dalelėmis, vimpai nuo jų skiriasi gerokai didesne mase.

„Mes apie gautus duomenis negalime sakyti, kad jie patvirtina WIMP dalelių egzistavimą. Tai tik rezultatas, kurio mes galime tikėtis, jei jos egzistuoja“, – pasakė Čikagos universiteto profesorius Chuanas Kolaras (Juan Collar). Kolaras kartu su Džonu Oreliu (John Orrell), dirbančiu Pesifik Nortvest nacionalinėje laboratorijoje (Pacific Northwest National Laboratory), kuri buvo atsakinga institucija už CoGeNT eksperimento vykdymą, pateikė spaudai du straipsnius į „Physical Review Letters“ žurnalą.

WIMP dalelės galėjo iššaukti signalo kitimą, bet tai galėjo būti ir atsitiktinės fluktuacijos – tai yra, eksperimente naudoto aparato neteisingai nuskaityti duomenys arba net naujas atominės fizikos reiškinys, mano Kolaras.

Tamsioji medžiaga sudaro apie devyniasdešimt procentų visos Visatoje esančios medžiagos, tačiau jos identifikavimas išlieka vienu iš didžiausių dabartinio mokslo paslapčių. Nors tamsioji medžiaga yra nematoma teleskopams, tačiau astronomai žino apie jos egzistavimą pagal jos poveikį galaktikoms.

Teoretikai numatė, kad tamsiosios medžiagos eksperimentuose turėtų būti registruojama metinė signalo moduliacija, nes Žemė su Saule sukasi Paukščių tako galaktikos plokštumoje. Saulė juda galaktikos plokštumoje, vienos iš spiralinių vijų pakraštyje, dviejų šimtų dvidešimties kilometrų per sekundę greičiu. Žemės sukimosi greitis apie Saulę lygus penkiolikai kilometrų per sekundę. Žiemą Žemė juda priešinga Saulės judėjimo apie galaktiką kryptimi. Tačiau vasarą jų judėjimo kryptys beveik sutampa. Šis judėjimas padidina Žemės bendrą greitį galaktikos halo tamsiosios medžiagos dalelių atžvilgiu.

WIMP dalelės turėtų judėti įvairiomis kryptimis galaktikos hale ir jų greičiai turėtų būti apytiksliai lygūs Saulės greičiui. „Tai panašu į mašinos judėjimą per uodų debesį, – paaiškino Kolaras. – Kuo mašina greičiau važiuoja, tuo daugiau uodų atsitrenks į mašinos priekinį stiklą.“

Panašu, kad CoGeNT per penkiolika mėnesių vykdytą eksperimentą užregistravo vidutiniškai vieną WIMP dalelės sąveikos atvejį per dieną. Stebėtas šešiolikos procentų sezoninis kitimas. Energijos matavimai atitinka WIMP dalelių masę, kuri apytiksliai yra nuo šešių iki dešimties kartų didesnė už protono masę.

Šie rezultatai dera su italų vykdyto tamsiosios medžiagos registravimo eksperimento (angl. DArk MAtter – DAMA) duomenimis, tačiau gautų duomenų nepakanka moksliškai sulyginti šių eksperimentų rezultatus. „Mes esame labai nedėkingoje situacijoje, nes negalime pasakyti ar mūsų rezultatai paneigia DAMA duomenis, ar su jais sutinka. Mums reikia dar tai išsiaiškinti“, – pasakė Kolaras.

Dalelių fizikoje, perspėjo Kolaras, atitikimas tarp dviejų ar trijų eksperimentų daug nereiškia. Panašiai nutiko su pentakvarku. Šio amžiaus pradžioje apie dešimt eksperimentų registravo dalelę, sudarytą iš penkių kvarkų, tai yra pentakvarką, nors nė viena žinoma dalelė neturi daugiau nei trijų kvarkų. Tačiau, praėjus tam tikram laikui, nė viename naujame eksperimente tokia dalelė nebuvo užregistruota. „Tai neįtikėtina, – Čikagos universiteto fizikos profesorius Džonatanas Rozneris (Jonathan Rosner). – Žmonės vis dar aiškinasi ar tai gali būti tiesa, jog pentakvarkas egzistuoja.“

Taigi, šiuo atveju mokslininkai irgi negali tvirtai pasakyti, jog eksperimento duomenys įrodo teoriją apie tamsiąją medžiagą ir jos sudėtį. Tačiau negalima eksperimento rezultatų atmesti – Kolaras su savo kolegomis suskaičiavo, kad tikimybė, jog jų stebėjimai yra klaidingi, yra lygi penkioms dešimtosioms procento. „Gaila, bet tai dar nėra tikslus mokslas, – pabrėžė Kolaras. – Tačiau pagal mūsų turimą informaciją ir padarytas prielaidas apie halą ir šias daleles bei jų elgesį hale, stebimi dalykai turėtų šitaip atrodyti.“

Deja, kiti tamsiosios medžiagos eksperimentai, taip pat Xenon100, nestebėjo sezoninio signalo kitimo, gauto iš CoGeNT ir DAMA duomenų. „Jei jūs tikrai esate įsitikinęs, kad toks efektas tikrai egzistuoja, tai belieka teigti, kad Xenon100 eksperimente nepasiekiamas toks jautrumas, kurį turi Chuano matavimai, – pasakė Rozneris, kuris nedalyvauja CoGeNT grupėje. – Iš kitos pusės, jie atliko daugybę tyrimų norėdami įvertinti savo eksperimento jautrumą prie mažų energijų. Jie mano, kad toks efektas nėra pas juos registruojamas.“

CoGeNT eksperimentas buvo vykdomas nuo 2009 metų gruodžio mėnesio, tačiau dėl gaisro, įvykusio Saudano kasykloje 2011 metų kovo mėnesį, matavimai buvo nutraukti. Penkiolika duomenų rinkimo mėnesių yra santykinai trumpas laiko tarpas eksperimentui, kuriame registruojama tamsioji medžiaga, tačiau eksperimentui dėl gaisro nutrūkus, Kolaras su kolegomis nusprendė nelaukti jo tęsinio ir iš karto ištirti gautus rezultatus.

Tiesa, pats gaisras tiesiogiai nepaveikė eksperimento ir jo metu surinktų duomenų, tačiau mokslininkus neramina dabartinė detektoriaus būsena. Mat dėl gaisravietės valymo darbų CoGeNT grupė vis dar negali prieiti prie detektoriaus ir įvertinti jo būklės. Neatmetama galimybė, jog detektorius galbūt jau nebeveikia arba, jei ir veikia, jo charakteristikos gali būti visiškai pasikeitusios. Tad eksperimento pratęsimo klausimas kol kas yra visiškai neaiškus.