Konferencija je nazvana 'Dani AMS-a' po detektoru Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) koji je tijekom svojih istraživanja na Međunarodnoj svemirskoj postaji (ISS) prikupio neobične podatke – značajno veću količinu pozitrona nego što bi se očekivalo na temelju drugih opažanja mogućih izvora ove antičestice elektrona.

Što je tamna tvar?

Danas se pretpostavlja da se svemir sastoji od materije i energije od čega poznata tvar čini tek oko pet posto materije svemira, hipotetska tamna tvar oko 27 posto, a tamna energija oko 68 posto.

Prvi postulat o postojanju tamne tvari utemeljen na solidnim podacima predstavila je američka znanstvenica Vera Rubin 1960-ih. Ona je na osnovu promatranja brzine rotacije galaksija zaključila da u svemiru mora biti najmanje 10 puta više tvari od one koju vidimo teleskopima i različitim instrumentima. U protivnom bi se galaksije tijekom okretanja razletjele jer u njima ne bi bilo dovoljno materije koja bi ih gravitacijom držala na okupu. Budući da se ta tvar izravno ne vidi ni okom ni detektorima, nazvana je tamnom tvari. Pretpostavlja se da ona poput haloa okružuje galaksije, a znanstvenici smatraju da uopće ne ulazi u interakcije s običnom tvari ili reagira toliko slabo da takve događaje do sada nismo uspjeli zabilježiti.

Kako dokazati postojanje neopazive tamne tvari?

Mada naši instrumenti, napravljeni od obične materije, ne mogu detektirati tamnu tvar, postoje neizravni načini koji mogu ukazivati na njezinu nazočnost. Jedan od njih je navedeni višak pozitrona – antičestica elektrona koje imaju pozitivan, a ne negativan električni naboj.

Poznato je da u našem svemiru dominira obična materija, a ne antimaterija. Znanstvene teorije predviđaju da je tijekom stvaranja našeg svemira materija, koja se inače anihilira s antimaterijom i stvara energiju, uglavnom u obliku snažnog zračenja, u jednom trenutku količinski prevladala. Eksperimenti su pokazali da sve elementarne čestice imaju svoje antičestice: proton ima antiproton, elektron ima pozitron, foton je sam sebi antičestica itd. Neke se međusobno razlikuju po naboju, a druge po nekom drugom temeljnom svojstvu. Neutron nema naboja, a od antineutrona se razlikuje po smjeru magnetskog polja, odnosno po spinu koji se pojednostavnjeno zamišlja kao rotacija zvrka. Čestice antimaterije danas se mogu stvoriti i ubrzati u nekim silovitim procesima u svemiru kao što su primjerice eksplozije supernova ili propadanje materije u crne rupe. Također mogu nastati u moćnim sudarima čestica u laboratorijima na Zemlji ili, što je u ovom istraživanju važno - u raspadu tamne tvari.

Naš fizičar dr. sc. Nikola Godinović sa splitskog FESB-a, koji je bio na Danima AMS-a u CERN-u, kaže da znanstvenici dobro poznaju procese u kojima nastaju pozitroni pa tako znaju i koliko bi ih trebalo biti na pojedinim energijama, odnosno u tzv. astrofizikalnoj pozadini.

'AMS je zabilježio da količine pozitrona u svemiru odstupaju od očekivanih i počinju rasti u odnosu na astrofizikalnu pozadinu u određenom pojasu energija. Rast počinje na 30 GeV, a maksimum dostiže na 275 GeV. Postoje neke indicije da nakon ovih visokih energija signal pozitrona pada, međutim pad za sada nije dovoljno jasan. Kada bi se nedvojbeno utvrdio, to bi bila prilično dobra potvrda da su pozitroni nastali upravo kao rezultat raspada tamne tvari, a ne u poznatim prirodnim fenomenima', rekao je Godinović.

Zašto? Za očekivati je da će pozitroni nastali u prirodnim kozmičkim procesima biti raspoređeni u širem spektru energija jer nastaju i ubrzavaju se na različite načine. Za razliku od njih, pozitroni nastali raspadom čestica tamne tvari trebali bi prema zakonu o održanju energije imati upravo onu energiju koju je imala čestica tamne tvari koja se raspala.

'Pozitroni nastali u raspadu tamne tvari uglavnom nastaju na isti način pa bi zapravo trebali bi raspoređeni samo na jednoj energiji, odnosno u jednom uskom području energija. Međutim, zbog toga što se ovaj proces odigrava na složeniji način te kako pozitroni na svom putu do nas nailaze na različite zapreke, uz različite smetnje, njihova razdioba ipak nije samo jedna tanka crta ili oštar vrhunac već čini jedan pojas. Ipak, ako su nastali raspadom tamne tvari, brojnost pozitrona trebala bi prilično naglo padati na energijama koje su veće od mase čestica od kojih je izgrađena tamna tvar. Na grafikonima objavljenim u CERN-u primjećuje se neki pad, ali još nemamo dovoljno podataka tako da ne možemo reći da je trag definitivni pokazatelj čestica tamne tvari. Ako višak pozitrona neće padati naglo, to bi moglo značiti da su nastali u supernovama i pulsarima. No da bi ovaj drugi odgovor bio validan trebali bismo vidjeti više pulsara i supernova. Neki fizičari skloniji su prvoj, a drugi drugoj interpretaciji', objasnio je Godinović.

Kako se eksperiment podudara s teorijom?

Na grafikonu (gore) koji su na konferenciji objavili znanstvenici CERN-a vidi se rast broja pozitrona na očekivanim nižim energijama, no slika je malo konfuznija i nejasnija na višim energijama gdje bi se trebao vidjeti pad.

Crvene točke na grafikonu predstavljaju eksperimentalno izmjereni višak pozitrona koji doseže maksimum na 275 GeV. Crvena linija je teorijsko predviđanje viška pozitrona koji bi nastali raspadom čestica tamne tvari mase 700 GeV. Plava linija je teorijsko predviđanje viška pozitrona koji dolaze iz pulsara i supernova, a zelena višak pozitrona koji nastaju u sudarima kozmičkih zraka.

Drugim riječima, znanstvenici su naišli na vrlo zanimljiv trag, no na konačan zaključak trebat će još malo pričekati.