PAMELA satelliidi töörühm leidis kaks aastat tagasi ühe kaalukama tõendi tumeaine olemasolust, mis moodustab arvatavasti 80 protsenti universumi koguainest.

PAMELA abil avastati külluslikult kosmilisi antielektrone ehk positrone, mida arvatakse tekkivat, kui tumeaine osakesed annihileeruvad. Siiski ei leitud veenvaid jälgi antiprootonitest, mis peaksid samuti annihileerumise käigus tekkima, vahendab Fyysika.ee PhysicsWorldi artiklit.

See ei ole aga ainus mure. Kui PAMELA nn üleskorjatud signaal tõestas tõepoolest annihilatsioonist, oleks tumeaine sellist tüüpi, mida eales otsest vaatlust kasutavad eksperimendid ei leiaks. Viimastel aastatel on aga CoGeNTi kollektiiv, Minnesotas asuv CDMS-II ja Itaalia DAMA eksperiment esitanud oma vaatluste tulemusi, mis kõik annavad märku tumeaine olemasolust.

Daniel Feldman ja tema USA kolleegid pakkusid nüüd aga välja teooria, mis võimaldab erinevad signaalid siiski ühte mudelisse ühendada. Selle kohaselt koosneks tumeaine kahte tüüpi osakestest. Esimene on tavaline osake, mida võiks leida otsesel vaatlusel baseeruvate eksperimentidega ning teine nn varjatud sektori osake, mis selgitaks PAMELA signaali.

"Ma usun, et oleme loonud esimese mudeli, mille abil suudame selgitada kõiki seni tumeaine kohta kogutud andmeid," kommenteeris Pran Nath, üks Feldmani teooria kaasautor.

Tumeaine mõjutab tavalist ainet vaid läbi gravitatsiooni ja elektronõrga jõu. WIMPide ehk nõrgalt üksteist mõjutavate massiivsete osakeste hüpotees on seega üks populaarsemaid kandidaate (weakly interacting massive particles, toim.). Viimastel aastatel on hakanud osad teadurid aga WIMPide asemel otsima keerukamaid hüpoteese, et seletada vastuolulisi tõendeid tumeainest.

Kui kaks WIMPi annihileeruvad, peaks tekkima kaks bosonit, mis lagunevad kas elektronideks ja positronideks või prootoniteks ja antiprootoniteks. PAMELA avastas aga jälgi ainult ainult protsessi esimesest poolest, mis viitab sellele, et signaal on vigane või teooria ei ole päris adekvaatne.

Üks põhjus teoorias kahtlemises peitub otsevaatluse eksperimentide antud andmetest. Sügaval maa all paiknevad eksperimendid otsivad tavaliselt tagasipõrkuvaid aatomeid, mis peaks liikuma hakkama, kui WIMPid nendega põrkuvad. DAMA kollektiiv on juba aastaid väitnud, et neil on sedasorti liikumistest kindlaid tõendeid. Oma tulemused on avaldanud ka CDMS-II ja COGeNT, ent kõikide eksperimentide töörühmad ei ole üksteise tulemustega nõus. Samuti ei klapi signaalid PAMELA 2008. aastal leitud signaaliga ja WIMP hüpoteesi kohaselt ei tohtinuks sedasorti maapealsed eksperimendid üldse midagi avastada.

Feldmani teooria selgitab, kuidas PAMELA ja otsevaatluse eksperimentide tulemused kooskõlla viia. Üks tumeaine koostisosa oleks tavaline WIMP – neutralino, mille eksisteerimist ennustab standardmudeli supersümmeetria lisandus. Neutralino kuulub "Majorana" osakeste klassi, mis tähendab, et see on iseenda antiosake. See tekitab annihileerumisel seejuures väga vähe antiainet, ent põhjustaks otsevaatlust kasutavates eksperimentides nähtud tuumade tagasipõrkeid.

Teine osake oleks aga ebatavaline ning kuuluks WIMPide standardmudelile lisatud varjatud sektorisse, mis käsitleb osakesi ja jõude, mida ei ole veel seni vaadeldud. Ühendriikide grupp arvab, et "Diraci" osake laguneks annihilatsioonil positronideks, ent mitte antiprootoniteks, mis selgitaksid seega PAMELA signaali.

Joe Silk, Oxfordi ülikooli kosmoloog arvab, et uurimus on üks paljudest, mis üritab vastukäivaid tumeaine signaale seletada, ent väljapakutud teooria eelis on selle falsifitseeritavuse võimalus.

"Ükskõik milline annihilatsiooni tüüpi mudel, mis sobitub PAMELA andmetega, peab tootma varases universumis kõrgete energiatega elektronide ning positronide voolu, mil tumeaine tihedus oli tunduvalt suurem kui tänapäeval," ütles ta. See aga ajaks n-ö sassi universumi varasema perioodi, mil elektronid ja prootonid esimest korda neutraalseteks vesiniku aatomiteks kombineerusid. Seega peaks seda kosmiliste mikrolainete reliktkiirguses (CMB) neid kõikumisi näha olema.

Sellised võnked võivad olla liialt väikesed, et neid WMAPi abil märgata. Satelliit on seni CMBst kõige rohkem andmeid kogunud. Möödunud aastal orbiidile saadetud Plancki observatoorium võib aga küsimusse valgust tuua. Seni tuleb lähtuda ilmselt teoreetikute arvamusest, et tumeaine on tõepoolest keerulisem kui seni arvatud

Feldmani uurimus avaldatakse ajakirjas Physical Review D.

Tumeaine:
* Fritz Zwicky pakkus tumeaine eksisteerimise välja 1934. aastal, et kompenseerida nähtavast universumist "puuduvat massi".
* see võimaldas seletada galaktikate pöörlemiskiirust, galaktikate liikumise kiirust galaktikaparvedes, galatikaparvede tõttu painduva valguse levimist ning näiteks galaktikates leiduva kuumade gaaside temperatuuri jaotust.
* tumeaine moodustab väidetavalt 23% kogu universumi massist.
* see on elektromagnetjõule resistentne, ei moodusta aatomeid ega reageeri otseselt tavalise nähtava ainega.
* selle poolt tekitatud, eksperimentaalselt avastatud jälgede osas ei ole teadlaskogukond seni üksmeelt saavutanud.
* tumeaine võib-olla neutriinode supersümmeetriline paariline, kuna viimase aja uurimustööd on näidanud, et neutriinodel on seisumass.