Σκοτεινή ύλη.

[Δροσος Γεωργιος]

Το φαινόμενο Migdal στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης.

Το 1939 ο Σοβιετικός φυσικός Arkady Migdal προέβλεψε θεωρητικά ότι, αν ο πυρήνας ενός ατόμου υποστεί μια απότομη μεταβολή είτε κατά την διάρκεια μιας πυρηνικής αντίδρασης είτε κατά την ραδιενεργό διάσπαση άλφα ή βήτα, τότε το άτομο μπορεί να ιονιστεί, δηλαδή να εκπέμψει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια. Αυτό είναι το επονομαζόμενο φαινόμενο Migdal: τα ατομικά ηλεκτρόνια δεν προλαβαίνουν να προσαρμοστούν ακαριαία στο νέο δυναμικό εξαιτίας της μεταβολής ενέργειας ή και του ηλεκτρικού φορτίου του πυρήνα, με αποτέλεσμα τον ιονισμό του ατόμου. Το φαινόμενο Migdal στο παρελθόν είχε παρατηρηθεί και μελετηθεί πειραματικά κατά την διάσπαση άλφα και βήτα(*).Τώρα σε μια πρόσφατη δημοσίευση στο περιoδικο Nature επιβεβαιώνεται με υψηλή στατιστική ακρίβεια και η άμεση παρατήρηση του φαινομένου Migdal που προκαλείται όταν ένας πυρήνας βομβαρδίζεται με νετρόνια. Για σχεδόν εννέα δεκαετίες, αυτή η διαδικασία «εκτίναξης ηλεκτρονίων» παρέμενε σχεδόν θεωρητική, αφού τα πειράματα με νετρόνια έδειχναν αμυδρά σήματα. Οι άμεσες αποδείξεις ήταν ασαφείς δεδομένου ότι το φαινόμενο Migdal καλύπτονταν από το ενοχλητικό υπόβαθρο που συνήθως παράγεται στα πειράματα με δέσμες νετρονίων.

Το νέο πείραμα

Για να καταγράψει το φαινόμενο Migdal, μια κινεζική ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια εξειδικευμένη «ατομική κάμερα» – έναν ανιχνευτή αερίου υψηλής ακρίβειας. Η διάταξη είναι αρκετά ευαίσθητη ώστε να παρακολουθεί την τροχιά του ανακρουόμενου πυρήνα και του εκτοξευόμενου ηλεκτρονίου.Βομβαρδίζοντας μόρια αερίου με νετρόνια και αναλύοντας περισσότερα από 800.000 υποψήφια συμβάντα, η ομάδα εντόπισε έξι σαφή σήματα. Κάθε ένα από αυτά εμφάνιζε την καθοριστική υπογραφή του φαινομένου Migdal: δύο σωματιδιακές τροχιές – μία από την ανάκρουση του πυρήνα και μία από το εκτοξευόμενο ηλεκτρόνιο – που αναδύονταν ακριβώς στο ίδιο σημείο. Η στατιστική βεβαιότητα της ανακάλυψης έφτασε στο όριο των πέντε σίγμα – 5σ σημαίνει ότι η πιθανότητα η μέτρηση να είναι τυχαία είναι μόνο 1 στα 3,5 εκατομμύρια.

Επιπτώσεις για την έρευνα της σκοτεινής ύλης

Για δεκαετίες, η αναζήτηση της σκοτεινής ύλης έχει επικεντρωθεί στα υποθετικά σωματίδια που ονομάζονται WIMPs, ή αλλιώς ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα. Αλλά μετά από μεγάλα πειράματα όπως το PandaX της Κίνας και το XENON της Ιταλίας που δεν βρήκαν στοιχεία για αυτούς τους βαρείς υποψηφίους, η επιστημονική προσοχή έχει επεκταθεί και προς την ελαφριά σκοτεινή ύλη – σωματίδια που είναι πολύ ελαφρύτερα και ακόμη πιο δύσκολο να ανιχνευθούν.Η πρόκληση βρίσκεται στο γεγονός ότι όταν ένα τόσο ελαφρύ σωματίδιο χτυπά έναν ατομικό πυρήνα, η ανάκρουση του πυρήνα είναι πολύ μικρή για να την καταγράψουν οι συμβατικοί αισθητήρες. Και εδώ είναι που μπαίνει το φαινόμενο Migdal. Όταν πραγματοποιηθεί το φαινόμενο Migdal, εκτοξεύεται ένα ηλεκτρόνιο την ενέργεια του οποίου μπορεί θεωρητικά να συλλάβει ο νέος ανιχνευτής. Ένας κατά τα άλλα ανεπαίσθητος κραδασμός χαμηλής ενέργειας μετατρέπεται σε μετρήσιμο ηλεκτρονικό σήμα.

Έτσι, η εφαρμογή ενός παλιού πυρηνικού φαινομένου (Migdal) ανοίγει τον δρόμο στην πιθανή ανίχνευση σκοτεινής ύλης.

(*) Tα ηλεκτρόνια του φαινομένου Migdal δεν πρέπει να συγχέονται με τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται στα δύο από τα τρία είδη διάσπασης β–:
1) όταν στον πυρήνα του ατόμου ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο:  εκπέμπονται ένα ηλεκτρόνιο και ένα ένα αντινετρίνο.
2) όταν συμβαίνει η αρπαγή ενός ηλεκτρονίου (συνήθως της στιβάδας Κ) από τον πυρήνα (Electron Capture), ένα πρωτόνιο του πυρήνα μετατρέπεται σε νετρόνιο:  και εκπέμπεται ένα νετρίνο. Στη συνέχεια εκπέμπεται φωτόνιο Χ ή ηλεκτρόνιο Auger εξαιτίας του κενού που αφήνει η αρπαγή του ηλεκτρονίου από τον πυρήνα.
Όμως το γεγονός ότι και στις δυο περιπτώσεις ο πυρήνας υφίσταται απότομη μεταβολή σε ορμή και ηλεκτρικό φορτίο προκαλείται και το φαινόμενο Migdal: τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα δεν προλαβαίνουν να προσαρμοστούν ακαριαία στο νέο δυναμικό, με αποτέλεσμα επιπλέον διέγερση ή ιονισμό του ατόμου.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: First direct evidence of Migdal effect opens new path for dark matter search – https://phys.org/news/2026-01-evidence-migdal-effect-path-dark.html

[Δροσος Γεωργιος]

Η σκοτεινή ύλη και τα νετρίνα αλληλεπιδρούν και οι επιστήμονες μιλούν για «θεμελιώδη ανακάλυψη»

Αν το φαινόμενο είναι υπαρκτό αλλάζουν όσα πιστεύαμε για την εξέλιξη του Σύμπαντος.

Δύο από τα πιο μυστηριώδη σωματίδια του Σύμπαντος ενδέχεται να συγκρούονται αόρατα σε ολόκληρο το Σύμπαν μια ανακάλυψη που θα μπορούσε να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα και πιο επίμονα προβλήματα του καθιερωμένου μοντέλου της κοσμολογίας. Αυτά τα δύο αινιγματικά κοσμικά συστατικά — η σκοτεινή ύλη και τα νετρίνα (ή «σωματίδια-φαντάσματα») υπάρχουν παντού στο Σύμπαν ωστόσο παραμένουν ελάχιστα κατανοητά.Με δημοσίευση τους στην επιθεώρηση «Nature Astronomy» μια διεθνής ομάδα ερευνητών βρήκε ενδείξεις ότι η σκοτεινή ύλη και τα νετρίνα μπορεί να συγκρούονται μεταξύ τους μεταφέροντας ορμή κατά τη διαδικασία. Αυτή η απροσδόκητη αλληλεπίδραση θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγηθεί γιατί το Σύμπαν έχει λιγότερες πυκνές περιοχές, όπως γαλαξίες, από όσες προβλέπεται θεωρητικά.

Σκοτεινή ύλη και νετρίνα: Ένα άλυτο αίνιγμα

Η σκοτεινή ύλη είναι η μυστηριώδης, αόρατη ουσία που αποτελεί περίπου το 85% της ύλης στο Σύμπαν. Όπως υποδηλώνει και το όνομά της δεν εκπέμπει φως επομένως η ύπαρξή της έχει καταγραφεί μόνο έμμεσα, μέσω της βαρυτικής της επίδρασης που παρατηρείται σε κοσμολογικές μετρήσεις.Τα νετρίνα είναι υποατομικά σωματίδια με απειροελάχιστη μάζα και χωρίς ηλεκτρικό φορτίο γεγονός που τα κάνει να αλληλεπιδρούν εξαιρετικά σπάνια με άλλα σωματίδια. Παράγονται σε μεγάλες ποσότητες από πυρηνικές διεργασίες όπως η πυρηνική σύντηξη στα άστρα και οι εκρήξεις υπερκαινοφανών (σουπερνόβα).Κάθε δευτερόλεπτο περίπου 100 δισεκατομμύρια νετρίνα περνούν από κάθε τετραγωνικό εκατοστό του ανθρώπινου σώματος. Σύμφωνα όμως με το κοσμολογικό μοντέλο, γνωστό ως μοντέλο Λάμδα–Ψυχρής Σκοτεινής Ύλης (ΛCDM), η σκοτεινή ύλη και τα νετρίνα δεν θα έπρεπε να αλληλεπιδρούν. Το μοντέλο αυτό αποτελεί τη βάση για την κατανόηση της μεγάλης κλίμακας δομής του Σύμπαντος.

Ένα κοσμολογικό παράδοξο

Ωστόσο η νέα μελέτη προσφέρει ενδείξεις ότι η σκοτεινή ύλη και τα νετρίνα ίσως τελικά αλληλεπιδρούν όπως έχουν προτείνει ορισμένοι ερευνητές τα τελευταία 20 χρόνια. Αν πράγματι συγκρούονται και ανταλλάσσουν ορμή αυτό θα απαιτούσε επανεξέταση του μοντέλου ΛCDM. Τέτοιες συγκρούσεις θα μπορούσαν επίσης να εξηγήσουν την αποκαλούμενη «ένταση S8», δηλαδή τη διαφορά ανάμεσα στη θεωρητικά αναμενόμενη και την πραγματικά παρατηρούμενη συμπαγικότητα του Σύμπαντος.«Αυτή η ένταση δεν σημαίνει ότι το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο είναι λάθος αλλά ίσως ότι είναι ελλιπές» εξήγησε η Ελεονόρα Ντι Βαλεντίνο συν-συγγραφέας της μελέτης και ανώτερη ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ. «Η μελέτη μας δείχνει ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ σκοτεινής ύλης και νετρίνων θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην εξήγηση αυτής της διαφοράς προσφέροντας νέα εικόνα για το πώς σχηματίστηκαν οι δομές στο Σύμπαν».Η απόκλιση προκύπτει από το γεγονός ότι το σημερινό Σύμπαν φαίνεται λιγότερο πυκνό απ’ όσο προβλέπεται από τις παρατηρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (CMB) αυτού δηλαδή που θεωρείται το πρώτο φως του Σύμπαντος και εκπέμφθηκε όταν αυτό ήταν μόλις 380,000 ετών.«Η διατύπωση ότι οι κοσμικές δομές είναι ‘λιγότερο συμπαγής’ πρέπει να γίνεται κατανοητή με στατιστική έννοια και όχι ως αλλαγή στην εμφάνιση μεμονωμένων γαλαξιών ή σμηνών. Αναφέρεται σε μειωμένη αποδοτικότητα στην ανάπτυξη των κοσμικών δομών με την πάροδο του χρόνου» δήλωσε ο Ουίλιαμ Γκιαρέ συν-συγγραφέας της μελέτης και κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης.

Συνδυάζοντας πολλαπλές ενδείξεις

Οι ερευνητές προσπάθησαν να ενοποιήσουν στοιχεία από τις διακυμάνσεις ενέργειας και πυκνότητας στην CMB, από τις βαρυονικές ακουστικές ταλαντώσεις (BAO) — κύματα πίεσης που «πάγωσαν» από τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος — και από πιο πρόσφατες παρατηρήσεις της μεγάλης κλίμακας δομής του σύμπαντος.Τα δεδομένα του πρώιμου Σύμπαντος προήλθαν από το Atacama Cosmology Telescope στη Χιλή και από το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος. Τα δεδομένα του μεταγενέστερου σύμπαντος προήλθαν από το τηλεσκόπιο Victor M. Blanco στη Χιλή και από το Sloan Digital Sky Survey, ένα εικοσαετές πρόγραμμα χαρτογράφησης εκατομμυρίων γαλαξιών σε περισσότερα από 11 δισεκατομμύρια έτη φωτός.Επιπλέον, ενσωματώθηκαν δεδομένα κοσμικής διάτμησης (από το Dark Energy Survey, δηλαδή παραμορφώσεις μακρινών ουράνιων αντικειμένων λόγω ασθενούς βαρυτικής φακοποίησης, όταν μαζικές δομές καμπυλώνουν τον χωροχρόνο. Όταν οι ερευνητές συνδύασαν όλα αυτά τα δεδομένα και μοντελοποίησαν την εξέλιξη του Σύμπαντος λαμβάνοντας υπόψη συγκρούσεις μεταξύ σκοτεινής ύλης και νετρίνων, οι προσομοιώσεις παρήγαγαν ένα σύμπαν που συμφωνεί καλύτερα με τις πραγματικές παρατηρήσεις.

Προσοχή αλλά και αισιοδοξία

Παρά τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα, απαιτείται προσοχή: η ένδειξη αλληλεπίδρασης έχει στατιστική βεβαιότητα 3 σίγμα, που σημαίνει ότι υπάρχει πιθανότητα 0,3% να οφείλεται σε τυχαίο σφάλμα. Αν και δεν φτάνει το «χρυσό πρότυπο» των 5 σίγμα, είναι αρκετά σημαντική ώστε να δικαιολογεί περαιτέρω έρευνα.«Η τελική ετυμηγορία θα προέλθει από μελλοντικές μεγάλης κλίμακας αστρονομικές έρευνες, όπως εκείνες του Παρατηρητηρίου Vera C. Rubin, και από πιο ακριβή θεωρητική εργασία. Αυτά θα μας επιτρέψουν να διαπιστώσουμε αν βρισκόμαστε μπροστά σε μια νέα ανακάλυψη στον “σκοτεινό τομέα” ή αν τα κοσμολογικά μας μοντέλα χρειάζονται περαιτέρω προσαρμογές. Σε κάθε περίπτωση, πλησιάζουμε περισσότερο στη λύση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης» δήλωσε ο Σεμπάστιαν Τοζανόφσκι, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.

https://www.naftemporiki.gr/techscience/2062650/i-skoteini-yli-kai-ta-netrina-allilepidroyn-kai-oi-epistimones-miloyn-gia-themeliodi-anakalypsi/