Tamna tvar: ‘Duh’ koji proganja kozmologiju

Iako duhovi nisu stvarni u znanstvenom smislu, postoji tajanstveni element koji igra ključnu ulogu u razumijevanju kozmosa. Taj element je svojevrsni ‘duh’ kozmosa jer ga nemožemo vjdeti, iako znamo da postoji.  Taj tajanstveni element naziva se tamna tvar i jedna je od najmisterioznijih aspekata kozmosa u kojem živimo. Taj kozmički ‘duh’ je u astronomiji i kozmologiji poznat već desetljećima. Opservacije upućuju na to da otprilike 85% svih tvari u svemiru čini ta misteriozna i nevidljiva supstanca. Brojni eksperimenti nastojali su razotkriti čime je sačinjena, ali unatoč desetljećima traganja, znanstvenici su ostali praznih ruku. Sada naš novi eksperiment, koji se razvija na Sveučilištu Yale u SAD-u, nudi novu strategiju. Tamna tvar postoji u svemiru od samih početaka vremena, povezujući zvijezde i galaksije. Nevidljiva i diskretna, čini se da ne stupi u interakciju sa svjetlošću niti s bilo kojom drugom vrstom tvari. U stvari, mora biti nešto posve novo. Standardni model fizike čestica je nepotpun, što predstavlja problem. Moramo tražiti nove temeljne čestice. Neočekivano, isti nedostaci standardnog modela pružaju dragocjene tragove o tome gdje bi se one mogle skrivati.

Neutroni

Za primjer uzmimo neutron. Čini atomsku jezgru zajedno s protonom. Iako je globalno neutralan, teorija kaže da je sačinjen od tri nabijene konstitutivne čestice zvane kvarkovi. Stoga bi se očekivalo da su neki dijelovi neutrona pozitivno, a drugi negativno nabijeni – što znači da bi neutron trebao imati ono što fizičari nazivaju električnim dipolnim momentom. No, mnogi pokušaji mjerenja završili su s istim rezultatom: premalen je da bi se detektirao. Još jedan duh. Ovdje nije riječ o nedostacima instrumenata, već o parametru koji mora biti manji od jednog dijela u deset milijardi. Toliko je sitan da se postavlja pitanje može li uopće biti nula.U fizici, međutim, matematička nula uvijek je snažna izjava. Krajem 70-ih godina prošlog stoljeća, fizičari čestica Roberto Peccei i Helen Quinn (a kasnije Frank Wilczek i Steven Weinberg) pokušali su uskladiti teoriju i dokaze.

Teorijski izračuni

Predložili su da parametar možda nije nula. Umjesto toga, mogao bi biti dinamička veličina koja je polako izgubila svoj naboj, evoluirajući prema nuli nakon Velikog praska. Teorijski izračuni pokazuju da bi, ako se takav događaj dogodio, ostavio za sobom mnoštvo laganih, skrivenih čestica. Te su čestice dobile naziv “aksioni“, inspirirane markom deterdženta, jer bi mogli “očistiti” problem s neutronom. A još više od toga. Ako su aksioni nastali u ranoj fazi svemira, oni su prisutni otkad i postoji. Najvažnije, njihova svojstva zadovoljavaju sve očekivane karakteristike tamne tvari. Iz tih razloga, aksioni su postali jedan od favoriziranih kandidata za česticu tamne tvari. Aksioni bi interagirali samo slabim vezama s drugim česticama. Ipak, to znači da bi ipak postojala određena interakcija. Nevidljivi aksioni čak bi se mogli transformirati u obične čestice, uključujući ironično – fotone, samu srž svjetlosti. To bi se moglo dogoditi u određenim uvjetima, kao što je prisutnost magnetskog polja. To je pravi dar za eksperimentalne fizičare.