WIMPzilos: monstriškosios dalelės iš laiko pradžios

2014 rugpjūčio 24-osios naktis. Mėnulis nusileido ir dangus tamsus. Johannesas Eseras ir Mattas Rodencalas sėdi sraigtasparnyje, 3 km aukštyje virš Ontarijo Kanadoje, ir Rodencalas per ausines nurodinėja pilotui. Jis nori, kad sraigtasparnis suktų ratus po balionu, kuriame yra jų eksperimentas. Tik bėda kad balionas skrenda prie Žemės atmosferos krašto, beveik 35 km aukščiau jų.

Kol Rodencalas teikia instrukcijas pilotui, Eseras leidžia pilka akim nematomą ultravioletinio lazerio spindulį horizontaliai, tolyn nuo sraigtasparnio. Fizikai tikisi, kad detektorius balione užfiksuos lazerio šviesą, išsisklaidžiusią nuo azoto molekulių ir aerozolių ore. Visa tai atliekama aklai. Nei sraigtasparnyje, nei balione nedega jokios šviesos: Eseras ir Rodencalas negali rizikuoti užgožti detektorių fotonais.

Šis aerobatinis nuotykis primena kažką iš Džeimso Bondo filmų, bet buvo surengtas instrumento, galinčio vieną dieną atsidurti Tarptautinėje kosminėje stotyje, išbandymui. Niekas nėra ko nors panašaus daręs. „Labai nervinausi, ar tai veiks, ar ne,“ sako Eseras, PhD studentas Kolorado Kasyklų mokykloje Goldene.

Jų garbei reikia paminėti, kad viskas veikė. „Tai buvo išties didelė sėkmė,“ sako Eseras. Ir ši sėkmė verta daugiau, nei pakelto alaus bokalo: tai reiškia, kad prisiartinome prie monstriškųjų dalelių iš laiko pradžios paieškų kosmose.

1998 metais Čikagos ir Mičigano universitetų bei CERN tyrėjų trejetas publikavo darbą trumpu pavadinimu „WIMPZILLAS!“ Jame buvo iškelta mintis, kad erdvė užpildyta didžiulėmis dalelėmis, kurių kiekviena bent trilijoną kartų sunkesnė už protoną. WIMPZILLA'os yra siūlomas paaiškinimas tamsiajai materijai, paslaptingajai, nematomai medžiagai, kuri, fizikų manymu, sudaro ženklią dalį visatos masės.

Stipriausias tamsiosios materijos egzistavimo įrodymas kyla iš galaktikų sukimosi stebėjimų ir galaktikų spiečių elgesio. Jei vienintelė visatos materija būtų normali materija, galaktikos ir galaktikų spiečiai jau seniausiai būtų iširę – nepakaktų masės, tuo pačiu ir gravitacijos, jų išlaikymui. Ir tamsiosios materijos turi būti daug: geriausiais vertinimais, ji sudaro 85 – 90 procentus visatos materijos. Bet kadangi iš esmės ji sąveikauja tik per gravitaciją – silpniausią fundamentaliąją sąveiką – ją aptikti itin sunku.

Tamsūs duomenys

Teorija ir stebėjimai nurodo, kokia ta medžiaga turėtų būti. Kandidatų favoritas yra silpnai sąveikaujanti masyvi dalelė: WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Yra teorinių priežasčių tikėti WIMP. Pavyzdžiui, šios hipotetinės dalelės būtų buvusios sukurtos ankstyvoje visatos istorijos pradžioje, ir maždaug tiek, kad atitinka astronomų duomenis apie juodąją materiją. Būtent todėl į jas nukreiptos didžiausios tamsiosios materijos paieškos. Be nors būtų viltį teikiančių jų aptikimo užuominų, galiausiai jos visada pasirodydavo tuščios.

Pavyzdžiui, DAMA/LIBRA detektoriaus eksperimento rezultatai. Eksperimentas beveik du dešimtmečius vyko Gran Sasso nacionalinėje laboratorijoje Italijoje, jame buvo naudojama matrica iš natrio jodido kristalų, kurie, susidūrę su WIMP, blankiai blyksteli Jis aptiko kiekvieną birželį savo piką pasiekiantį keistą signalą. Būtent tai ir turėtų nutikti, jei Žemė, skriedama aplink Saulę, reguliariai brautųsi per WIMPų jūrą. Signalas yra daug stipresnis už prietaiso triukšmo lygį ir tai kai kuriuos fizikus sujaudino. Negana to, kitas eksperimentas – CoGENT – užfiksavo panašų kasmetį kitimą, nors jų duomenys nėra statistiškai reikšmingi.

Bėda ta, kad jeigu šie signalai kyla dėl tamsiosios materijos, juos turėtų užfiksuoti ir tuntai kitų tamsiosios materijos detektorių. „Nuoširdžiai, neturiu supratimo ką mato DAMA,“ sako Danas Hooperis iš Fermilab šalia Batavia'os, Ilinojuje. „Aišku, kad jų signalas kinta, [bet] esu įsitikinęs, kad tai nėra tamsioji materija.“

Be to, jei atsakymas būtų WIMPai, CERNo Didysis Hadronų Greitintuvas dalelių susidūrimais būtų turėjęs sukurti bent jų užuominas. O, bet, tačiau – nieko, nulis, dyka.

Tai gal ieškome ne tos dalelės? „Gamta turi savo nuomonę ir gali būti, [tamsioji materija] nėra WIMPai,“ sako Angela Olinto iš Čikagos universiteto. „Nėra teoremos, teigiančios, kad tai privalo būti WIMPai.“

Gimę iš infliacijos

Tai atnaujino alternatyvaus tamsiosios materijos paaiškinimo paieškas. „Jau metas tirti kitas galimybes,“ sako Carstenas Rottas, tamsiosios materijos medžiotojas, dirbantis Pietų Korėjos Sungkyunkwan universitete.

WIMPZILLA ir kiti „supersunkios tamsiosios materijos“ tipai yra stiprūs pretendentai. Tačiau jie kelia sunkia problemą: jų sukūrimui reikia daug energijos – nepalyginamai daugiau, nei WIMPų kūrimui. Tiesą sakant, tokia energija galėjo būti pasiekta tik neišpasakytai karštoje ir tankioje ankstyvojoje visatoje, per „infliacijos epochą“, vykusią tuoj po didžiojo sprogimo.

Ilgai nežinojome užtikrintai, ar infliacijos epocha buvo pakankamai energinga. Tačiau dabar, apjungę dviejų kosminį mikrobangų foną – nuo didžiojo sprogimo likusį spinduliavimą – tiriančių teleskopų duomenis, mokslininkai gali nustatyti viršutinę energijos vertę. BICEP2 radioteleskopo Šiaurės ašigalyje ir Europos kosmoso agentūros Planck palydovo duomenys rodo, kad tuo metu buvo prieinama 10²⁴ elektronvoltų energija – tiek pakanka supersunkių tamsiosios materijos dalelių sukūrimui. [Palyginimui, dabar atnaujintame LHC pasiekiama ~šimtą milijardų (100 000 000 000) kartų mažesnė energija – red.]

Infliacijos metu visata plėtėsi eksponeniškai greitai dėl hipotetinės dalelės, vadinamojo inflatono, poveikio. Vienas supermasyvių tamsiosios materijos dalelių atsiradimo būdas galėjo būti inflatono skilimas. Teorijoje inflatonas gali skilti į kitas daleles ir – galbūt – supersunkią tamsiąją materiją.

Kitas mechanizmas galėjo primini tai, kas vyksta modernioje visatoje. Dabar kosmoso vakuumas užpildytas fluktuojančiais elektromagnetiniais laukais. Pagal Einšteino garsiojoje formulėje E=mc² pateiktą masės ir energijos ekvivalentiškumą, šie laukai gali spontaniškai sukurti tokias daleles, kaip, pavyzdžiui, elektronai ir jų antimateriniai atitikmenys, pozitronai. Vykstant infliacijai, intensyvios gravitacinio lauko fluktuacijos galėjo irgi sukurti daleles. O dėl buvusios beprotiškos energijos, dalelės būtų supersunkios.

Dabar elektromagnetinio lauko sukurti elektronai ir pozitronai linkę vienas kitą anihiliuoti, išnykti energijos blyksnyje. Bet supersunki tamsioji energija neanihiliuoja. Kol tebebuvo stiprūs gravitaciniai laukai, erdvė ir toliau pildėsi medžiaga. Erdvėlaikiui plečiantis, tos dalelės tapo visatoje išsibarsčiusios materijos dalimi – bet nematoma mums ar mūsų detektoriams. Tai kaip jas galime rasti?

Paprastas atsakymas yra „labai sunkiai“. Visų pirma, įvertinant kosmose esančios tamsiosios materijos kiekį, tų dalelių ne tiek jau daug – daug, daug mažiau, nei jeigu tamsioji materija būtų sudaryta iš WIMPų. Tai nesunku apskaičiuoti. „Kai jos tokios sunkios, jų nėra jų nėra labai daug,“ sako Hooperis. „Jei noriu kilogramo uolos iš vieno kilogramo akmenų, man tereikia vos vieno. Bet jei noriu kilogramo sąvaržėlių, jų reikės daug.“

Be to, WIMPZILLA'os ar jos supersunkūs pusbroliai tiesiogiai su Žemėje esančiais detektoriais nereaguoja: per paprastą materiją jie pereina nė nestabtelėdami. Tad turime remtis netiesiogine detekcija ir ieškoti jų irimo produktų: fotonų, protonų ir neutrinų.

Tai yra, jei manome, kad šios dalelės galiausiai skyla. „Jeigu jos gyvuoja amžinai, šviečiasi labai liūdnas scenarijus – jos tiesiog sėdi sau ir tiek, tad aptikti jas bus itin nelengva,“ sako Olinto.

Jeigu jos skyla, turėtume sugebėti aptikti rezultatus (žr. diagramą). Didelė tamsiosios materijos supermasyvių dalelių masė reiškia, kad jos skilimo produktų energija irgi bus superaukšta. Tai gerai: tokias greitas kulkas fiksuoti mokame. Tiesą sakant, IceCube neutrinų teleskopas Pietų ašigalyje jau šia kryptimi darbuojasi ir užfiksavo kažką daug žadančio.

Per pastaruosius keletą metų IceCube regėjo 137 kelių dešimčių teraelektronvoltų [TeV – 10¹²] energijos neutrinus ir tris, kurių energija yra kelių petaelektronvoltų [PeV – 10¹⁵] srityje. Šie trys energingiausi yra įdomūs, nes jie gali būti supersunkios tamsiosios materijos skilimo produktai, pabrėžė Rottas.

Keistas šaltinis

Dar niekas neišsiaiškino, iš kur tie neutrinai atkako. Žinome, kad neutronai randasi iš supernovų sprogimų, gama spindulių blyksnių ir vadinamųjų aktyvių galaktikų branduolių. Tačiau standartinė fizika teigia, kad šie šaltiniai kuria vis mažiau ir mažiau neutrinų, turinčių vis didesnę ir didesnę energiją. Fizikai tikrai nežino jokio astrofizinio šaltinio, kuris sukurtų būrį TeV neutrinų, nesukurtų šiek tiek aukštesnės energijos neutrinų ir tada paleistų PeV neutrinus. Tie aukščiausios energijos neutrinai veikiausiai atsirado iš kažko kito. Gali būti, kad tai statistinė fluktuacija. Bet gali būti, kad ne. „Tai gali būti skylančios tamsiosios materijos ženklai,“ spėja Rottas.

Jei šie aukščiausios energijos neutrinai išties yra supersunkios tamsiosios materijos skilimo produktai, mums pasisekė. Rotto komanda paskaičiavo, kad vidutinė jų gyvavimo trukmė būtų neįtikėtinai ilga: apie 10¹¹ sekundžių ilgesnė už visatos egzistavimo trukmę [4,35·10¹⁷ s]. Kai kurios gyvuos daug ilgiau, tačiau kai kurios gali skilti jau dabar. „Tai tikrai įdomus scenarijus, nuo kurio neturėtume nuleisti akių,“ sako jis.

Būsimi IceCube stebėjimai galėtų padėti šį scenarijų sutvirtinti. Jeigu šie aukštos energijos neutrinai ir atskirtis tarp jų bei mažesnės energijos neutrinų išliks, tai sustiprins tokio egzotiško šaltinio, kaip supersunki tamsioji materija, galimybę.

Be to, tai papildys kitą supersunkios tamsiosios materijos aptikimo būdą. Šios dalelės skildamos gali paskleisti ir ultraaukštos energijos kosminius spindulius, ir tinkamais detektoriais juos taip pat galėtume išvysti.

Teoriškai šią užduotį galėtų atlikti pora detektorių: Pierre Auger observatorija, išsidėsčiusi 3000 km² Argentinos lygumų, ir Teleskopų masyvas, stebintis dangų virš maždaug 800 km² dykumos Jutoje. Kol kas jie neužfiksavo jokių ultraaukštos energijos kosmini spindulių. Tačiau taip gali būti dėl to, kad jie nepakankamai dideli.

Ultraaukštos energijos kosminiai spinduliai, susidūrę su Žemės atmosfera, sukelia dalelių laviną. Atrodo, kad tai neturėtų būti labai sunku užfiksuoti, tačiau tokie įvykiai labai reti: vidutiniškai jie nutinka rečiau, nei po vieną dalelę kvadratiniame kilometre per 100 metų. Tad, gali būti, kad mūsų antžeminiai detektoriai paprasčiausiai nestebėjo pakankamai Žemės atmosferos. Pasak Olinto, geriau būtų pakelti detektorius į kosmosą, kad jie žvelgtų į Žemę. Toks detektorius galėtų stebėti 50 – 250 kartų didesnį plotą, nei Pierre Auger observatorija, didžiausias antžeminis kosminių spindulių detektorius.

Ir štai čia praverčia Esero ir Rodencalo nutrūktgalviški skrydžiai. Kosmoso pakraštyje skriejantis balionas buvo bandymo aikštelė japoniškam eksperimentiniam moduliui – ekstremaliosios visatos kosminei observatorijai (Japanese Experimental Module – Extreme Universe Space Observatory – JEM-EUSO), kuriamai skrydžiui į TKS. Olinto, kuri yra pagrindinė šio projekto tyrėja JAV, bando prototipus su savo komanda.

Praėjusį rugpjūtį vykęs skrydis turėjo nustatyti, ar balionu skrendantis detektorius gali fiksuoti oro molekulių išsklaidytą ultravioletinio lazerio šviesą. Toks detektorius JEM-EUSO ieškotų panašios šviesos, kai ultraaukštos energijos kosminiai spinduliai susiduria su Žemės aukštutine atmosfera. Kadangi pradinis eksperimentas pavyko, kitas žingsnis – skraidinti kitą prototipą NASA'os ilgo skridimo pripūstais balionais, galinčiais išsilaikyti ore ne vieną savaitę. „Kuriame prietaisą, galintį išsilaikyti 100 dienų,“ sako Olinto. Jų skrydis numatytas 2017 m. kovą.

Kol kas WIMPų paieškos niekas neatšaukia. Bet jei JEM-EUSO, IceCube arba būsimi neutrinų teleskopai aptiks dalelių, kurių energijos standartinė astrofizika paaiškinti negali, tada supersunkiosios tamsiosios materijos – WIMPZILLA ar ko panašiai sunkaus – variantas darosi patrauklesnis. Gali paaiškėti, kad dalelės iš visatos kūdikystės yra kosmologinės fosilijos, padėsiančios išsiaiškinti, kas vyko paslaptingoje infliacijos eroje. „Galbūt gamta padeda mums, pateikdama relikvijas ir gal relikvijos yra tamsioji materija,“ svarsto Olinto. „Tai verčia mane keltis rytais ir judėti pirmyn.“

Anil Ananthaswamy
New Scientist № 3026