Într-un articol publicat recent în Physical Review Letters se studiază posibilitatea ca materia întunecată să fie compusă din (inclusiv) așa-numiții fotoni întunecați – purtători ai unei a cincea forțe în lumea materiei întunecate. Aceste rezultate ar explica măsurătorile efectuate de COS, un instrument la bordul Stației Spațiale Internaționale, care studiază filamentele de materie din Univers.

Materia întunecată

Materia întunecată reprezintă unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii actuale; măsurători ale vitezelor de rotație ale stelelor (dar și alte fenomene) arată cum că ar fi nevoie de materie în plus în galaxii, care să explice atracția gravitațională necesară pentru vitezele măsurate, viteze care sunt mai mari decât ce se calculează doar din materia pe care o cunoaștem. Cercetătorii au propus diverse scenarii și modele ca să explice din ce ar fi compusă această materie în plus – denumită materie întunecată. În acest context există propuneri de particule (precum axionii) cu masă extrem de mică, dar și de particule – precum cele super-simetrice – cu masă foarte mare. Experimente efectuate la acceleratoare de particule și în laboratoare subterane încearcă să descopere aceste particule, până în prezent însă fără succes. În acest context observațiile astrofizice și astronomice sunt importante – întrucât ne pot da indicații despre ce fel de particule ar trebui să căutăm în experimentele noastre.

Măsurătorile efectuate de COS

COS (Cosmic Origin Spectrograph) este un instrument la bordul Stației Spațiale Internaționale care măsoară spectre ale materiei din Univers. Printre măsurători, una foarte importantă este cea legată de filamentele de materie care se găsesc între galaxii. Aceste filamente de materie sunt mai calde decât este prevăzut de modelele fizice actuale. Din ce cauză? Vina ar putea să fie a materiei întuecate!

Fotonii întunecați explică datele de la COS

În acest context un grup de cercetători teoreticieni a pornit de la o ipoteză care, așa cum au demonstrat în recentul lor articol publicat în Phys. Rev. Letters, ar explica cum de filamentele de materie dintre galaxii sunt mai calde decât ne așteptam. De vină ar fi… fotonii întunecați. Acești fotoni ar fi mediatorii unei noi forțe (interacțiuni), din lumea materiei întunecate. La fel cum fotonii pe care îi cunoaștem sunt mediatorii interacțiunii electromagnetice. Fotonii întunecați însă ar avea masă, o masă care ar putea să fie 20 de ordin de mărime mai mică decât cea a electronului (fotonii normali nu au masă) și ar interacționa extrem de slab cu lumea „noastră”. Ar fi posibil ca fotonii întunecați să se transforme în fotoni normali, de frecvență joasă, care să încălzească materia normală. Acest fenomen ar duce la încălzirea inclusiv a filamentelor de materie din Univers, așa cum a fost observat de COS.

Știm deci din ce este alcătuită materia întunecată?

Putem deci sărbători, știm din ce este alcătuită materia întunecată? Deocamdată nu – întrucât avem nevoie de noi date, dar și de confirmări în cadrul experimentelor terestre. Rezultatul obținut de cercetătorii care au analizat datele COS cu ajutorul ipotezei fotonilor întunecați este important, întrucât ne arată cum structurile din Univers pot reprezenta detectoare de particule; filamentele de materie observate ar fi un fel de calorimetre (detectoare care măsoară energia) extrem de mari. Evident că trebuie efectuate noi studii și noi măsurători, inclusiv cu alte metode și aparate, înainte  să fim siguri de o descoperire atât de importantă.

Materia (și energia) întunecată rămâne încă un mister – însă noi măsurători – inclusiv de tip astrofizic și astronomic – ne pot ajuta să dezlegăm acest mister în anii următori.

Credit imagine: Dr Ewald Puchwein and the Sherwood-Relics collaboration

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe