Badacze z Uniwersytetu Oksfordzkiego, kierowani przez dr Clarę Murgui, podejrzewają, że neutrina mogą pełnić rolę posłańców między znanym nam światem a tajemniczą ciemną materią. Najnowsze analizy wskazują, że neutrina mogą oddziaływać z ciemną materią. Gdyby tak było, czekałaby nas prawdziwa rewizja podstaw fizyki, choć na razie to jedynie hipoteza wymagająca żmudnej weryfikacji.
Model Standardowy i jego ograniczenia. Dlaczego fizycy szukają nowych rozwiązań?
Podstawowe ramy współczesnej fizyki cząstek, czyli tak zwany Model Standardowy, to niewątpliwie jeden z największych triumfów nauki ubiegłego stulecia. Opisuje on znane nam cząstki elementarne i trzy z czterech oddziaływań fundamentalnych. Ma jednak poważną lukę – kompletnie pomija ciemną materię i ciemną energię, które razem stanowią około 95 procent zawartości kosmosu. Ciemna materia to szczególnie zagadkowy składnik, odpowiadający za około 27 procent wszechświata. Nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła, a o jej istnieniu wiemy tylko dzięki grawitacyjnemu wpływowi na galaktyki i gromady galaktyk. Neutrina, z drugiej strony, choć należą do Modelu Standardowego, są niezwykle trudne do badania. Mają znikomą masę i tak słabo oddziałują z inną materią, że bez problemu przenikają przez całą planetę.
Czytaj także: Zimna ciemna materia wciąż wygrywa, ale jej historia mogła zacząć się zupełnie inaczej
Eksperymenty w CERN. W poszukiwaniu interakcji między ciemną materią a neutrinami
Aby sprawdzić, czy te dwa tak nieuchwytne byty mogą na siebie wpływać, naukowcy sięgają po najpotężniejsze narzędzia, jakimi dysponują. W Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN prowadzone są eksperymenty, których celem jest wychwycenie jakichkolwiek śladów takiej interakcji. Kluczową rolę odgrywa detektor ATLAS, rejestrujący produkty zderzeń cząstek. Badacze szukają między innymi tak zwanych rozbieżnych wierzchołków lub śladów pozostawionych przez długożyjące cząstki – nietypowych sygnatur, które mogłyby wskazywać na istnienie pośrednika między zwykłą a ciemną materią. Neutrina, jako cząstki neutralne elektrycznie i oddziałujące jedynie słabo, są teoretycznie idealnymi kandydatkami na takiego mediatora. Problem w tym, że oczekiwane sygnały są nieprawdopodobnie słabe i giną w ogromie danych. Dlatego zespół dr Murgui wykorzystuje zaawansowane algorytmy uczenia maszynowego, aby przeczesać miliardy zapisów zderzeń i wychwycić subtelne wzorce, niewidoczne dla ludzkiego analityka. To żmudna praca, przypominająca szukanie igły w stogu siana, ale nawet negatywny wynik ma swoją wartość, zawężając pole dalszych poszukiwań.
Czytaj także: Równania Eulera działają na ciemną materię. To odkrycie może zrewolucjonizować fizykę
Znaczenie dla przyszłości fizyki. Co dałoby odkrycie interakcji ciemnej materii z neutrinami?
Potwierdzenie, że neutrina komunikują się z ciemną materią, miałoby fundamentalne konsekwencje dla naszej wiedzy o kosmosie. Przede wszystkim mogłoby dostarczyć wytłumaczenia dla szeregu obserwowanych anomalii, na przykład w rozkładzie energii kosmicznych promieni czy dynamice niektórych galaktyk. Otworzyłoby to również zupełnie nowy front badań nad tak zwanym ciemnym sektorem – hipotetycznym zestawem cząstek i sił, które tworzą równoległy, niewidzialny dla nas świat. Należy jednak podchodzić do tych perspektyw z umiarkowanym optymizmem. Poszukiwania ciemnej materii trwają od dziesięcioleci, a mimo budowy coraz czulszych detektorów, umieszczanych głęboko pod ziemią, bezpośredniego dowodu wciąż brak. Każda nowa hipoteza, nawet tak obiecująca, musi przejść próbę ognia eksperymentu. Praca w CERN trwa, a fizycy są przyzwyczajeni do długotrwałych wyzwań. Nawet jeśli obecne pomiary nie przyniosą przełomu, to każda wykluczona możliwość przybliża nas do celu. W nauce, jak w każdej poważnej detektywistycznej pracy, eliminowanie fałszywych tropów jest równie ważne co odkrywanie nowych.
