Επιστήμονες από την Κίνα πραγματοποίησαν την πρώτη άμεση παρατήρηση ενός κβαντικού φαινομένου που είχε προβλεφθεί πριν από σχεδόν 90 χρόνια και θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, της αόρατης «κόλλας» του σύμπαντος.
Στη Λένινγκραντ του 1939, ο σοβιετικός φυσικός Arkady Migdal ανέπτυξε μια θεωρία για το τι θα συνέβαινε όταν ένα ουδέτερο σωματίδιο, όπως η σκοτεινή ύλη, θα συγκρουόταν με έναν ατομικό πυρήνα. Ο Migdal πίστευε ότι η σύγκρουση θα προκαλούσε την ανάκρουση του πυρήνα και θα πυροδοτούσε μια δευτερογενή ηλεκτρονική ανάκρουση, δημιουργώντας έτσι ένα ανιχνεύσιμο σήμα.
Για 87 χρόνια, αυτό το φαινόμενο παρέμενε καθαρά θεωρητικό. Όμως, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (UCAS) κατάφερε να παρατηρήσει άμεσα το φαινόμενο Migdal, χρησιμοποιώντας εξοπλισμό τελευταίας τεχνολογίας. «Η σκοτεινή ύλη, ένα αόρατο αλλά βαρυτικά αλληλεπιδρών συστατικό του σύμπαντος, παραμένει ένα από τα βαθύτερα άλυτα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής», αναφέρει η ομάδα σε δημοσίευσή της στο έγκριτο περιοδικό Nature.
Οι θεωρητικές συζητήσεις για το φαινόμενο Migdal στο πλαίσιο της ανίχνευσης σκοτεινής ύλης χρονολογούνται από τα μέσα της δεκαετίας του 2000. Ωστόσο, για περισσότερα από 80 χρόνια, το φαινόμενο Migdal σε συγκρούσεις ουδέτερων σωματιδίων δεν είχε επιβεβαιωθεί πειραματικά, όπως δήλωσε ο Zheng Yangheng, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και καθηγητής στο UCAS. Αυτό είχε οδηγήσει σε «συνεχή αμφισβήτηση» της έλλειψης πειραματικής υποστήριξης πίσω από τις θεωρητικές παραδοχές σε πειράματα που βασίζονταν στο φαινόμενο Migdal.
«Σε αυτή τη μελέτη, παρουσιάζουμε την άμεση απόδειξη του φαινομένου Migdal σε σκέδαση νετρονίων-πυρήνων – ένα φαινόμενο που προβλέφθηκε πριν από περισσότερα από 80 χρόνια αλλά επιβεβαιώνεται μόλις τώρα με στατιστική σημαντικότητα που υπερβαίνει τα 5 sigma», αναφέρει η κινεζική ομάδα. Τα πέντε sigma αποτελούν ένα πρότυπο στατιστικό όριο που υποδεικνύει υψηλό επίπεδο βεβαιότητας ότι το παρατηρούμενο αποτέλεσμα δεν είναι ψευδώς θετικό.
«Επικυρώνοντας το φαινόμενο Migdal, αντιμετωπίζουμε ένα μακροχρόνιο κενό στην επιστημονική κατανόηση των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων και προσφέρουμε μια πιθανή προσέγγιση για την ανίχνευση ελαφριάς σκοτεινής ύλης», επισημαίνουν οι ερευνητές.
Η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε έναν ανιχνευτή pixel που βασίζεται σε αέριο, σχεδιασμένο για απεικόνιση υψηλής ακρίβειας της πυρηνικής ανάκρουσης και των τροχιών των ηλεκτρονίων Migdal, χρησιμοποιώντας ένα μείγμα 40% ηλίου και 60% διμεθυλαιθέρα ως μέσο απεικόνισης. Μια γεννήτρια νετρονίων βομβάρδισε το μείγμα αερίου για να προκαλέσει το φαινόμενο Migdal, το οποίο καταγράφηκε από ένα chip πίνακα pixel ευαίσθητο σε φορτίο. Η ταυτόχρονη παρατήρηση του πυρήνα ανάκρουσης και του ηλεκτρονίου Migdal ήταν απαραίτητη για την επιβεβαίωση του φαινομένου.
Μετά από συλλογή δεδομένων για περίπου 150 ώρες, κατέγραψαν πάνω από 100 γεγονότα, τα οποία στη συνέχεια περιορίστηκαν σε έξι υποψήφια γεγονότα που πληρούσαν τα κριτήρια επιλογής τους. «Αυτό το αποτέλεσμα καθιερώνει ένα κρίσιμο σημείο αναφοράς για την πυρηνική και σωματιδιακή φυσική, παρέχοντας μια πειραματική βάση για μελλοντικές θεωρητικές και πειραματικές διερευνήσεις», ανέφερε η ομάδα, στην οποία συμμετείχαν επίσης ερευνητές από άλλα κινεζικά πανεπιστήμια.
Η σκοτεινή ύλη πιστεύεται ότι αποτελεί το 27% του σύμπαντος, σε σύγκριση με μόνο 5% για την ορατή ύλη. Το υπόλοιπο του σύμπαντος πιστεύεται ότι αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια, σύμφωνα με τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικών Ερευνών (CERN). Σε αντίθεση με την κοινή ύλη, η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει, απορροφά ή ανακλά φως, καθιστώντας την ανιχνεύσιμη μόνο μέσω της βαρυτικής της έλξης σε γαλαξίες και αστέρια. Χωρίς αυτή την πρόσθετη βαρύτητα, οι γαλαξίες θα διαλύονταν, γι’ αυτό και η σκοτεινή ύλη έχει περιγραφεί ως κοσμική κόλλα.
Η κατανόηση της σκοτεινής ύλης θα έφερνε επανάσταση στην αντίληψή μας για το σύμπαν, αλλά οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη ανιχνεύσει άμεσα ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης. Προηγούμενες αναζητήσεις εστίαζαν σε μαζικά σωματίδια, αν και αυτά τα πειράματα δεν απέδωσαν οριστικά στοιχεία. Η αναζήτηση έχει στραφεί πρόσφατα σε ελαφρά σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια θα άφηναν πολύ ασθενή σήματα πειραματικά, απαιτώντας ενισχυμένη ευαισθησία ανίχνευσης και ενισχυμένο σήμα. Το φαινόμενο Migdal προσφέρει μια οδό για την επίτευξη αυτού του στόχου.
