Dy studime të fundit nga Profesori Stefano Profumo në Universitetin e Kalifornisë, Santa Cruz, propozojnë teori që përpiqen të përgjigjen ndaj një prej pyetjeve më themelore të fizikës moderne: Cila është natyra grimcore e materies së errët?
Shkenca ka ofruar dëshmi të shumta që vërtetojnë se kjo substancë misterioze, e cila përbën 80% të gjithë materies në univers, ekziston. Prania e saj shpjegon se çfarë i mban galaktikat të lidhura dhe i bën të rrotullohen. Zbulime si struktura në shkallë të gjerë e universit dhe matjet e rrezatimit kozmik të mbetur gjithashtu dëshmojnë se diçka ende e panjohur përshkon gjithë këtë errësirë.
Ajo që mbetet e panjohur janë origjinat e materies së errët dhe, për pasojë, cilat janë vetitë e saj grimcore? Këto pyetje madhore i takojnë kryesisht fizikantëve teorikë si Profumo. Dhe në dy punime të fundit, ai i qaset këtyre pyetjeve nga drejtime të ndryshme, por të dyja të fokusuara te ideja se materia e errët mund të ketë lindur natyrshëm nga kushtet në universin shumë të hershëm — në vend që të jetë një grimcë ekzotike që ndërvepron me materien e zakonshme në një mënyrë të detektueshme.
Origjina të hijshme
Studimi më i fundit, i botuar më 8 korrik në Physical Review D, eksploron nëse materia e errët mund të jetë formuar në një sektor të fshehur — një lloj “bote pasqyrë” me versionet e veta të grimcave dhe forcave. Ndërsa kjo botë hije do të ishte plotësisht e padukshme për njerëzit, ajo do t’u bindte shumë prej ligjeve të njëjta fizike si universi i njohur.
Ideja frymëzohet nga kromodinamika kuantike (QCD), teoria që përshkruan si lidhen kuarkët brenda protoneve dhe neutroneve përmes forcës së fortë bërthamore. UC Santa Cruz ka rrënjë të thella në këtë fushë: Profesori i Emerituar Michael Dine ndihmoi në ndërtimin e modeleve teorike që përfshijnë aksiomin QCD, një nga kandidatët kryesorë për materien e errët, ndërsa profesori i kërkimeve Abe Seiden kontribuoi në përpjekje eksperimentale madhore që studiuan strukturën e hadroneve — grimca të përbëra nga kuarkë — në eksperimente të fizikës me energji të lartë.
Në punimin e ri të Profumo-s, forca e fortë riprodhohet në sektorin e errët si një teori kufizuese “QCD e errët”, me grimca të vetat — kuarkë të errët dhe gluone të errët — që lidhen bashkë për të formuar grimca të rënda kompozite të quajtura barione të errët. Nën kushte të caktuara në universin e hershëm, këta barione të errët mund të bëhen aq të dendur dhe të rëndë sa të kolapsojnë nën gravitetin e vet në vrima të zeza jashtëzakonisht të vogla, por stabile — ose objekte që sillen si vrima të zeza.
Këto mbetje të ngjashme me vrima të zeza do të ishin disa herë më të rënda se masa e Planck-ut — shkalla themelore e masës në gravitetin kuantik — por nëse prodhohen në sasinë e duhur, ato mund të përbëjnë gjithë materien e errët të vëzhguar sot. Për shkak se do të ndërvepronin vetëm përmes gravitetit, ato do të ishin plotësisht të padukshme për detektorët e grimcave — megjithatë prania e tyre do të formësonte universin në shkallë të gjerë.
Ky skenar ofron një kornizë të re dhe të testueshme, e mbështetur në fizikën e njohur, duke vazhduar eksplorimin e gjatë të UC Santa Cruz mbi mënyrën se si parimet teorike të thella mund të ndihmojnë për të shpjeguar një nga pyetjet më të mëdha të kozmologjisë.
Në horizont
Studimi tjetër i fundit i Profumo-s, i publikuar në maj në të njëjtin revistë shkencore, eksploron nëse materia e errët mund të jetë prodhuar nga “horizonti kozmik” që zgjerohej — në thelb ekuivalenti kozmologjik i horizontit të ngjarjeve të një vrime të zezë.
Ky punim pyet: nëse universi kaloi një fazë të shkurtër të zgjerimit të përshpejtuar pas inflacionit — diçka më pak ekstreme se inflacioni, por ende më e shpejtë sesa lejojnë rrezatimi apo materia — a mund të ketë “rrezatuar” grimca në ekzistencë ajo fazë vetë?
Duke përdorur parimet nga teoria kuantike e fushës në hapësirë-kohë të lakuar, punimi tregon se një gamë e gjerë masash për materien e errët mund të rezultojë nga ky mekanizëm, në varësi të temperaturës dhe kohëzgjatjes së kësaj faze.
Me rëndësi, Profumo tha se kjo nuk kërkon ndonjë supozim për mënyrën si ndërvepron materia e errët — vetëm që të jetë stabile dhe të prodhohet në mënyrë gravituese. Ideja është frymëzuar nga mënyra si vëzhguesit pranë horizonteve kozmike, si ato të një vrime të zezë, perceptojnë rrezatim termik për shkak të efekteve kuantike.
“Të dy mekanizmat janë shumë spekulativë, por ofrojnë skenarë të mbyllur dhe të llogaritshëm që nuk varen nga modelet konvencionale të materies së errët, të cilat po përballen gjithnjë e më shumë me rezultate eksperimentale negative,” tha Profumo, i cili është gjithashtu zëvendësdrejtor për teorinë në Institutin e Fizikës së Grimcave në Santa Cruz.
Mund të thuhet se Profumo ka shkruar librin për kërkimin për të kuptuar natyrën e materies së errët. Teksti i tij i vitit 2017, An Introduction to Particle Dark Matter, paraqet mësimet që ai personalisht ka nxjerrë dhe përdorur në punimet e tij kërkimore, nga teknikat më të avancuara që shkencëtarët kanë zhvilluar ndër vite për të ndërtuar dhe testuar modele grimcash për materien e errët.
Libri përshkruan “paradigmën e materies së errët” si “një nga zhvillimet kyçe në ndërfaqen e kozmologjisë dhe fizikës së grimcave elementare”, dhe është i dedikuar për këdo që është i interesuar për natyrën mikroskopike të materies së errët siç shfaqet në eksperimentet e fizikës së grimcave, vëzhgimet kozmologjike dhe fenomenet astrofizike me energji të lartë.
Kërkuesit në këtë universitet kanë luajtur një rol kyç në kozmologji për dekada me radhë, duke kontribuar në zhvillimin e modelit standard Lambda-Materia e Errët e Ftohtë (ΛCDM) — ende modeli që përshtatet më mirë me të dhënat kozmologjike — si edhe në studimin teorik dhe vëzhgues të mënyrës si formohet struktura në univers. Për më tepër, UC Santa Cruz ka mbështetur gjithmonë një bashkëpunim të ngushtë mes teorisë dhe vëzhgimit, me përparësi në fizikën e grimcave, astrofizikë dhe kozmologjinë e universit të hershëm.
Profumo tha se këto publikime të fundit vazhdojnë këtë traditë, duke eksploruar ide që lidhin pyetjet më të thella të fizikës së grimcave me sjelljen në shkallë të gjerë të kozmosit. “Dhe ato e bëjnë këtë në një mënyrë që mbetet e rrënjosur në fizikën e njohur — qoftë teoria kuantike e fushës në hapësirë-kohë të lakuar, apo vetitë e njohura të teorive SU(N) të matjes — ndërkohë që i zgjeron ato drejt kufijve të rinj,” tha ai.
