U prošlom nastavku napisao sam da ni jedna poznata čestica ne može da bude kandidat za tamnu materiju. Pre nego što vidimo koje bi hipotetičke čestice mogle da budu kandidati moramo prvo da se upoznamo sa poznatim česticama. Sličnu priču ste na ovom portalu mogli da pročitate u okviru serijala o Higsovom bozonu, međutim ovaj članak će biti podešen za kontekst ove priče o tamnoj materiji, tako da će se neki detalji razlikovati, a i potrebno je podsetiti se cele priče.

Postoji mnogo poznatih čestica, broj verovatno prelazi stotinu. Srećom nisu sve fundamentalne. Pod fundamentalnim česticama podrazumevaju se nedeljive čestice, tj. čestice koje se ne sastoje od drugih čestica. Proton recimo nije fundamentalna čestica, on se sastoji od sitnijih čestica, kvrakova i gluona. Neutron, takođe. Sa druge strane, kvarkovi, gluon, elektron, jesu fundamentalne čestice. Sve fundamentalne čestice mogu se podeliti u dve familije. Ime prve familije su fermioni. Za fermione se često govori da su čestice materije, zbog toga što su atomi sazdani od fermiona. Fermioni takođe dolaze u dve vrste. Prvu vrstu čine kvarkovi (eng. Quarks), drugu leptoni. Slika ispod ilustruje kako to izgleda

Dakle vidimo da u leptone spadaju elektron, neutrini (sva tri tipa), kao i dve nove čestice, za koje možda jeste, a možda i niste čuli do sada, a to su Muon i Tau. Muon i Tau su čestice veoma slične elektronu (imaju isto naelektrisanje od “-1e” kao i elektron) ali se razlikuju u masi. Muon je oko 200 puta masivniji od elektrona, dok je tau oko 3000 puta masivniji od elektrona. Činjenica da Muon i Tau poseduju naelektrisanje ih diskvalifikuje kao kandidate za tamnu materiju. Naime, veruje se da se tamna materija ne nalazi samo u galaktičkom halo-u već i svuda unutar galaksije, pa ako bi tamna materija posedovala naelektrisanje, tj. interagovala sa elektromagnetnom silom do sada bi je već direktno detektovali. Takođe, mogli bi i direktno u galaktičkom halou da ih detektujemo posmatranjem, budući da bi emitovali elektro magnetno zračenje. Uostalom, i pion i muon su nestabilne čestice i životni vek im je mnogo kraći od hiljaditog dela sekunde.

Iznad leptona vidimo porodicu kvarka, sa slike vidite da su i svi kvarkovi takođe naelektrisani, osim toga, izuzev “up” i “down” kvarka svi su i nestabilni. Tako da i oni gube status kandidata za tamnu materiju.

Ako bacite pogled na gornju tabelu možete zapaziti da je ona simetrična. Naime, imamo šest kvarka, kao i šest leptona. Mimo toga, i kvarkovi i leptoni dolaze u po tri porodice. “Up” i “Down” kvark čine jednu, “charm” i “strange” čine drugu, dole kod leptona elektron i elektron neutrino čine jednu, muon i muon neutrino drugu, tau i tau neutrino treću. Razlika između dva člana porodice je u naelektrisanju, tj jedan član ima veće naelektrisanje za +1e od drugog. Pa tako up kvark ima naelektrisanje od +2/3 dok down kvark ima naelektrisanje od -1/3 (-1/3 + 3/3 = 2/3), elektron ima naelektrisanje od -1e dok elektron neutrino ima naelektrisanje o, tj. električno je neutralan.

Rekli smo, dakle, da se čestice mogu podeliti u dve familije, prvu familiju čine tzv. čestice materije odnosno fermioni (kvarkovi i leptone) a drugu familiju čine bozoni. Bozoni se često nazivaju česticama sile, zbog toga što oni funkcionišu kao prenosioci sile. Pa tako, jaka nuklearna sila se prenosi uz pomoć gluona, elektro-magnetna uz pomoć fotona (svetlost se dakle prenosi uz pomoć fotona, pa tako mi imamo u rožnjači fotoreceptor, koji detektuje (apsorbuje) fotone i šalje signal mozgu koji potom formira sliku), slaba nuklearna uz pomoć W i Z bozona, gravitaciona uz pomoć gravitona (graviton još uvek nije otkriven i to je jedan od razloga zbog kojeg ga nema u gornjoj tabeli). Tu je naravno i Higsov bozon, koji je pomalo specifičan slučaj.

Gluon i foton ne mogu biti kandidati za tamnu materiju zbog toga što oni nemaju masu (setite se tamnu materiju smo detektovali pomoću njenog gravitacionog dejstva na kretanje galaksije, što znači da tamna materija, tj. čestice koje nju čine moraju da imaju masu). W i Z bozoni i Higsov bozon otpadaju zbog toga što su nestabilni, životni vek im je kraći od milijarditog dela sekunde.

Isti razlozi koje smo pobrojali za fundamentalne čestice važe i kompozitne čestice. Naime, kompozitne čestice koje nastaju kombinacijom elementarnih čestica (poput protona koji čini kombinacija up i down kvarka, i gluona koji ih poput svojevrsnog kvantnog lepka, drže zajedno unutar granica protona) takođe gube status kandidata zbog toga što su ili nestabilne ili nisu električno neutralne.

Tako da definitivno dolazimo do zaključka da tamnu materiju moraju da čine neko do sada neotkrivene čestice. Jedan od potencijalnih kandidata su klasa hipotetičkih čestica pod nazivom WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Svaka slučajnost sa MACHO telima iz prošlog članka je naravno namerna. Dakle WIMP čestice ne osećaju elektro-magnetnu i jaku nuklearnu, i interaguju samo sa slabom nuklearnom i gravitacionom silom. Prema tome, WIMP su poput neutrina, ne možemo ih detektovati direktno putem optičkih, radio i ostalih teleskopa jer ne emituju elektro-magnetno zračenje, i izuzetno teško ih je detektovati prilikom sudara sa atomskim jezgrom budući da interaguju samo sa slabom nuklearnom silom.

Ali razlikuju se od neutrina po tome što poseduju dosta veću masu, pa su samim tim i znatno sporiji, što ih čini idealnim kandidatom za tamnu materiju (setite se iz prošlog teksta, neutrini su diskvalifikovani kao kandidati za tamnu materiju zbog toga što poseduju visoku brzinu koja onemogućava formiranje velikih stabilnih struktura, poput galaksija i galaktičkih jata). WIMP čestice takođe slabo interaguju i sa samim sobom, i ono što je bitnije sa svojim anti-česticama jer da interaguju snažno sa svojim anti-česticama odavno bi se međusobno potrle, anihilirale ( ne brinite ako vas je ovaj deo zbunio, biće više reči o ovome kasnije, kada budemo pričali o detekciji tamne materije). Jedan tip WIMP čestica, koji je zapravo i glavni glavni kandidat za tamnu materiju kod većine (astro)fizičara, jesu tzv superpartneri, čestice koje se pojavljuju kao sastavni deo teorije koja nosi naziv Super-simetrija. Šta je super simetrija, šta su superpartneri, kako se vrši potraga za njima, koji su još potencijalni kandidati, kao i zbog čega je bilo neophodno da se detaljnije upoznate sa poznatim česticama, saznaćete u narednim nastavcima.