Materia întunecată, cea care aparent domină gravitațional universul, continuă să-i intrige pe cercetători. Printre numeroasele particule ipotetice propuse, fotonii întunecați – rude masive ale fotonului clasic – au atras de mult atenția teoreticienilor, dar au fost mereu însoțiți de o problemă serioasă: tendința de a forma corzi cosmice, structuri care contravin distribuției observate a materiei întunecate în univers.
Un nou studiu publicat în Physical Review Letters propune o cale prin care această dificultate poate fi evitată. Cheia are legătură cu momentul în care fotonii întunecați se formează în istoria timpurie a universului.
Dacă apar prea devreme, când densitatea este foarte mare, interacțiunile lor duc inevitabil la formarea unei rețele de corzi cosmice. Acestea nu se pot transforma în structuri galactice și, prin urmare, nu pot explica materia întunecată observată. Dar dacă fotonii întunecați sunt generați mai târziu, aceste corzi nu mai apar, iar fotonii rămân, ca materie întunecată.
Ce este materia întunecată și de ce nu o putem vedea?
Universul vizibil, cu toate galaxiile, stelele, planetele și oamenii, reprezintă mai puțin de 15% din materia din univers. Restul este dominat de ceva mult mai greu de detectat: materia întunecată.
Această formă misterioasă de materie nu emite lumină, nu absoarbe radiație și nu interacționează cu nimic (sau interacționează extrem de slab) din ceea ce putem vedea în mod direct. Totuși, îi simțim influența gravitațională – este ceea ce ține galaxiile împreună și contribuie la formarea structurilor cosmice.
Deși existența materiei întunecate este larg acceptată, natura ei exactă rămâne necunoscută. Au fost propuse zeci de particule ipotetice, dar până acum niciuna nu a fost detectată în mod direct. Printre cele mai interesante propuneri se află fotonii întunecați, particule asemănătoare fotonului (purtătorul luminii), dar cu o masă mică și interacțiuni extrem de slabe cu materia obișnuită.
Fotonii întunecați: o idee elegantă, dar cu probleme teoretice
Fotonii întunecați au fost propuși ca particule candidate pentru materia întunecată de mai bine de un deceniu. Ideea este foarte elegantă: o particulă asemănătoare cu fotonul, dar care dobândește masă printr-un mecanism similar cu cel din teoria modelului standard, adică printr-un fel de „câmp Higgs întunecat”. Dacă acești fotoni sunt produși în număr mare în universul timpuriu, ei ar putea forma un tip de materie rece, stabilă și invizibilă, exact ceea ce căutăm.
Totuși, o dificultate majoră a zădărnicit până acum validarea acestui model. Dacă fotonii întunecați apar prea devreme, când universul era foarte dens și fierbinte, au tendința de a forma structuri liniare uriașe, numite corzi cosmice.
Aceste corzi cosmice nu se comportă precum particulele de materie întunecată: nu se grupează gravitațional, nu formează halouri de galaxii și nu lasă urmele așteptate în radiația cosmică de fond.
O idee nouă: întârzierea producerii fotonilor întunecați
O echipă de cercetători a propus recent o idee simplă și interesantă: dacă problema constă în momentul apariției acestor particule, de ce să nu schimbăm acel moment? În loc ca fotonii întunecați să apară în fazele incipiente ale universului, când densitatea era extrem de mare, aceștia ar putea fi produși mai târziu, într-un univers deja extins și răcit.
Această schimbare de „calendar cosmic” are efecte uriașe. În densități mai scăzute, condițiile nu mai favorizează formarea de corzi cosmice. În schimb, fotonii întunecați rămân sub formă de excitații ondulatorii, libere, care se propagă în spațiu fără să se lege în structuri nedorite. În acest mod, comportamentul lor devine compatibil cu ceea ce se așteaptă de la materia întunecată: stabilă, rece și invizibilă, dar cu efecte gravitaționale măsurabile.
Cum funcționează mecanismul propus?
Modelul propune introducerea unui câmp scalar suplimentar – un fel de „cronometru” cosmic – care reglează momentul în care fotonii întunecați dobândesc masă.
În primele momente ale universului, acest câmp menține masa fotonului întunecat aproape zero, astfel încât particulele nu sunt produse în mod eficient. Abia după ce universul se extinde și densitatea scade, câmpul evoluează rapid, iar fotonii întunecați capătă masă printr-un proces numit instabilitate tahionică. Aceasta determină o creștere rapidă în numărul de particule – suficient pentru a explica densitatea actuală a materiei întunecate.
Această „producție întârziată” are un alt avantaj crucial: permite fotonilor întunecați să interacționeze mai puternic cu materia obișnuită decât în modelele anterioare, ceea ce înseamnă că există șanse reale de a-i detecta în laborator.
Căutarea fotonilor întunecați
Noile modele permit o gamă mai largă de parametri, oferind un ghid pentru experimente. Mai multe aparate – cum ar fi DM-Radio, ALPHA, Dark E-field și MADMAX – sunt deja proiectate pentru a detecta semnale slabe provenite de la fotoni întunecați.
Aceste experimente folosesc cavități electromagnetice ultra-sensibile, unde un foton întunecat s-ar putea converti într-un foton real, detectabil. Unele metode implică și plasmă sau câmpuri electrice puternice, unde conversia devine posibilă.
Pe lângă experimentele de laborator, și observațiile astronomice pot contribui. Modelul prezice formarea unor mini-halouri de materie întunecată la scară mică, care ar putea modifica mișcarea stelelor sau produce variații în luminozitatea galaxiilor pitice. Aceste semnale cosmice, dacă vor fi identificate, ar putea confirma indirect prezența fotonilor întunecați.
Un pas înainte în rezolvarea misterului cosmic
Propunerea deschide o nouă fereastră teoretică și experimentală pentru înțelegerea materiei întunecate. Ideea că „momentul” contează la fel de mult ca „natura” particulei poate schimba complet direcția în care se îndreaptă cercetarea în domeniu.
Prin evitarea formării corzilor cosmice și menținerea unei legături – oricât de slabe – cu materia vizibilă, fotonii întunecați revin în prim-plan ca o posibilă explicație pentru cea mai misterioasă componentă a universului. Cu ajutorul noilor experimente și observații, am putea fi mai aproape ca oricând de a-i detecta.
