U prošlom nastavku upoznali smo se sa jednim tipom wimp čestica, superpartnerima, koji su glavni kandidati za čestice koje čine sastav tamne materije. U ovom nastavku upoznaćemo još jedan tip wimp čestica – Kaluca-Klajn čestice, ili skraćeno KK čestice.
Kaluca-Klajn čestice su čestice koje se pojavljuju u okviru teorija koje predviđaju da univerzum u kojem živimo sadrži više od tri prostorne dimenzije. Dakle, prema tim teorijama naš univerzum, pored napred-nazad, gore-delo, levo-desno, sadrži još neku prostornu dimenziju. Sada se verovatno pitate kako da shvatite ovu izjavu, na koji način da razmišljate o dodatnim prostornim dimenzijama?
Zamislite liniju.

Linija predstavlja jednodimenzioni objekat. Zamislite sada mrava na toj liniji. Mrav bi po njoj mogao da se kreće samo levo i desno (gledano iz naše perspektive). Ako želimo da našem mravu damo više slobode kretanja, moraćemo da dodamo našoj liniji još neku dimenziju. Kako ćemo to da izvedemo? Izvešćemo tako što ćemo mravu dodati još jedan smer kretanja koji je pod pravim uglom u odnosu na ovaj levo-desno smer kojim mrav može da se kreće. Dakle, ako imamo jedan smer kretanja, levo-desno, smerovi koji su pod pravim uglom u odnosu na taj smer kretanja su gore-dole i napred-nazad. Proizvoljno ćemo izabrati smer gore-dole. Zamislite kako se ova linija sada, poput otvaranja projektorskog platna, otvara i razvlači na dole.

Linija se sada pretvorila u ravan, a naš mrav sada ima mnogo veću slobodu kretanja. On se sada može kretati kako levo desno, tako i gore dole po platnu. Kako ćemo dobiti treću dimenziju? Primenićemo isti princip kao i malopre. Dodaćemo, na ova dva postojeća pravca (gore-dole i levo-desno), tj. na ove dve dimenzije, pod pravim uglom još jedan pravac. Pravi ugao u odnosu na površinu ovog projektorskog platna biće napred-nazad. Vidite kako smo rekreirali tri prostorne dimenzije tako što smo pretpostojećim dimenzijama pod pravim uglom dodavali dodatne dimezije. Četvoro dimenzioni prostor ćemo dobiti tako što ćemo na postojeće tri dimenzije (gore-dole, levo-desno, napred-nazad) dodati, pod pravim uglom u odnosu na njih, novu dimenziju. Naši mozgovi jednostavno nisu u stanju da zamisle tako nešto, oni se pri samom pokušaju zamrznu. Neko je nekad rekao da logika može da nas odvede od A do B, a da imaginacija može da nas odvede bilo gde. Upravo smo zabasali na teritoriju na koju imaginacija ne može da nas odvede. Naš um i naša imaginacija neslavno padaju na ovom ispitu.

Petu prostornu dimenziju dobijate tako što na četvorodimenzioni prostor pod pravim uglom dodate novu dimenziju, isti princip važi i za šestu, sedmu, osmu…
Okej, kakve veze sad ima to veze sa tamnom materijom, i gore pomenutim KK česticama?

Pa ako zamislimo da naš univerzum poseduje više od tri prostorne dimenzije, pitanje koje se prirodno nameće jeste, gde su te dimenzije? Odgovor je pomalo banalan. Sakrivene su od nas. Ili preciznije rečeno, iz nekog razloga ne možemo da im pristupimo. Postoji više razloga zbog kojih ne bismo mogli da pristupimo ovim dimenzijama.

Jedan od tih razloga bio bi taj da su te dimenzije odviše male. Zamislite put. Uski seoski put sa jednom trakom. Zamislite da ste u autu koji zauzima celu traku tog puta sa jednom trakom. Vi bi ste u autu taj put doživeli kao jednodimenzioni, mogli bi ste da se krećete samo napred nazad. Zamislite jednog biciklistu na istom tom putu. Za njega taj put nije jednodimenzionalan, on ima pristup širini i ukoliko želi uopšte ne mora po tom putu da ide isključivo napred nazad. On može voziti cik-cak, može voziti sa jedne strane puta na drugu, šta god poželi. Vi u automobilu nemate pristup toj drugoj dimenziji, dimenziji širine, ona je premala za vaš u automobil. Vidite kako put, koji je u biti dvodimenzionalan, vama može delovati kao jednodimenzionalan samo zbog toga što je jedna od te dve dimenzije puta premala da bi ste se kretali po njoj. Kada bi vozili kamion, sva je prilika da taj put uopšte ne bi bio ucrtan na vašoj kamiondžiskoj mapi, budući da ne možete da stanete na njega, pa bi za vas bio praktično nevidljiv.

Slično se možda dešava i sa prostornim dimenzijama, možda su one svuda oko nas, ali su toliko male da im mi, i ne samo mi, već i svi instrumenti koje koristimo da spoznamo svet oko nas ne mogu pristupiti. Suviše male za pojedinačne atome, suviše male i za atomska jezgra.

Da bi ste sebi predočili drugi razlog zbog kojeg bi nam dodatne dimenzije bile nedostupne, zamislite, ovog puta, široki bulevar po čijoj sredini se kreće tramvaj na šinama. I ako je sada put dovoljno širok, tramvaj nema pristup njegovoj dimenziji širine, zbog toga što je vezan za tramvajske šine. Tako da je za tramvaj put praktično, ponovo, jednodimenzion. Sličan je možda slučaj i sa nama. Možda smo mi, nekom nepoznatom, jakom silom vezani za postojeće tri prostorne dimenzije, slično kao što je tramvaj vezan za šine, koja nam ne dozvoljava pristup ostalim dimenzijama.
Međutim, pojadinačne, elementarne čestice (elektron, kvarkovi i sl.) možda bi imale pristup tim dodatnim dimenzijama. Kako bi mi to detektovali?

Zamislimo da je auto iz prvog primera, svesno biće, koje je u stanju da pojmi samo jednu dimenziju kojom se kreće. Dakle auto nije u stanju da pojmi (i vidi) širinu puta, kao što mi nismo u stanju da pojmimo (i vidimo) četvrtu prostornu dimenziju. Pitanje je sledeće, kako bi naš svesni auto reagovao kada bi video bicikl koji se kreće poprečno, duž širine puta? Auto ne bi bio ustanju da detektuje to kretanje, zbog toga što on nije u stanju da detektuje širinu. Ali video bi da se nešto čudno dešava sa biciklom. Naš auto se već susretao sa biciklama, viđao ih je ispred i iza sebe, često je morao da usporava da ih ne bi udario, a ponekad čak i da se zaustavlja kada bi bickili stajali mirno.

Za svo to vreme naš auto je i naučio nešto o njima. Naučio je da je njihova ukupna energija zbir njihove masene energije i količine kretanja. Ako bi se brzo kretali (dužinom puta, tj. dimenzijom koja je poznata automobilu) njihova ukupna energija bila bi veća nego energija koju bi imali ako bi se kretali sporo. Ako bi bicikl, sa druge strane, stajao, njegova ukupna energija bila bi jednaka biciklinoj masenoj energiji (datoj E=mc^2). Ako bi se međutim, bicikl kretao poprečno, širinom puta, kao što sam napisao, automobil ne bi registrovao to kretanje, već bi mu bicikl delovao kao da stoji. Ali, automobil bi onda video da taj bicikl poseduje dosta veću energiju od one koju bicikle inače poseduju kada miruju (zbog toga što se bicikla zapravo kreće, ali automobil nije u stanju da detektuje to kretanje). Budući da se bicikla ne kreće (ili tako barem automobil misli) on dolazi do zaključka da ovaj bicikl ima veću energiju od prosečnog mirujućeg bicikla zbog toga što ovaj bicikl ima veću masu od prosečnog bicikla. [Dakle ako je automobil utvrdio da bicikl ima znatno veću energiju u stanju mirovanja u odnosu na ostale bicikle, iz formule E=mc^2 automobil je zaključio da uzrok tome može jedino da bude veća masa bicikle, budući da je c^2 član konstantan]

Slično bi se desilo i u stvarnom svetu, ako bi neka od čestica bila u stanju da se kreće dodatnim, našim čulima nedostupnim dimenzijama. Ako bi se recimo graviton pod izvesnim okolnostima kretao (oscilirao) dodatnim dimenzijama mi bi smo detektovali česticu koja je identični parnjak gravitonu, osim što bi ta čestica posedovala znatno veću masu (slično kao što je automobil detektovao bicikl veće mase). I sve ostale čestice kada bi bile u stanju da se kreću po dodatnim dimenzijama mi bi smo detektovali kao nove masivnije čestice. Te nove masivnije čestice (u stvari dobre stare čestice, koje se kreću, osciliraju u dodatnim dimenzijama, pa ih precipiramo kao masivnije) nose naziv KK čestice, ili KK partneri. Teorija kaže da bi najlakši KK partner bio stabilan i masivan, takođe bi najverovatnije interagovao samo sa slabom silom i gravitacijom, što ga čini WIMP kandidatom za česticu tamne materije. Ono što teorija ne govori jeste koji bi to konkretno KK partner bio, zbog toga što to zavisi između ostalog od oblika, broja i veličine dodatnih dimenzija, budući da ništa od toga nije poznato (a postoji ogroman broj varijacija), ostaje na eksperimentu da otkrije KK partnere (ukoliko ovi uopšte postoje) i da se potom utvdi da li oni čine tamnu materiju

Dakle i KK partneri i Superartneri su kandidati za tamnu materiju iz kategorije WIMP čestica. Hajmo da se ukratko upoznamo i sa nekim kandidatima koji ne spadaju u kategoriju WIMP čestica.
Jednan tip takvih čestica jesu i sterilni neutrini. Sterilni neutrini su pretpostavljeni tip neutrina, koji su teži (sporiji) od klasičnih neutrina i koji interaguju isključivo sa gravitacijom (ne i sa slabom silom, poput klasičnih neutrina). Otud i naziv sterilni, zbog toga što su “sterilizovani” od bilo koje druge interakcije izuzev gravitacione.

Drugi tip čestica bili bi aksioni. Aksioni su čestice, bozoni, interaguju sa slabom silom i gravitacijom, ali nisu WIMP čestice zbog toga što imaju veoma malu masu. Oni su u tom pogledu veoma slični neutrinima, s tom razlikom što se za razliku od neutrina ne kreću visokim brzinama. Oni su takođe uvedeni da bi rešili neke druge probleme unutar fizike čestice (mogli bi da objasne asimetriju između materije i antimaterije u univerzumu – CP symmetry violation su ključne reči za pretragu) ali usput rešavaju i problem tamne materije.

Ovu bi bili prominentni kandidati za tamnu materiju. Ostaje pitanje kako utvrditi koja od ovih čestica čini tamnu materiju (ako uopšte bilo koja). O tome više u narednom nastavku.