ایده جدیدی برای چگونگی تسلط ماده تاریک بر جهان

یک مقاله جدید این فرضیه را مطرح می‌کند که چگونه مقدار ماده تاریک می‌تواند به طور تصاعدی در جهان اولیه رشد کرده باشد.

ستارگان لبه‌های کهکشانها به دلیل ماده‌ای نامرئی به نام ماده تاریک، سریع‌تر از آنچه می‌چرخند که قوانین گرانش پیش‌بینی می‌کنند.

NASA/JPL-Caltech

تصور می‌شود که هشتاد و پنج درصد از ماده در جهان ماده “تاریک” است که برای انسان و ابزار علمی ما نامرئی است. اما دانشمندان نمی‌دانند ماده تاریک از چه چیزی ساخته شده است یا در اوایل جهان چگونه ایجاد شده است.

اکنون، گروهی از محققان دستور جدیدی برای این ماده مرموز ارائه کرده‌اند: برخورد ذره‌ای ماده تاریک با یک ذره ماده معمولی و تبدیل آن به یک ذره ماده تاریک جدید. این روند تا زمانی که جهان در مقدار ماده تاریک موجود امروزی مستقر شود ادامه می‌یابد.

تورستن برینگمن، فیزیکدان دانشگاه اسلو در نروژ و یکی از نویسندگان مقاله جدید گفت که در ماه نوامبر در مجله Physical Review Letters منتشر شد: هزاران مدل برای توضیح ماده تاریک وجود دارد. اگر شما یک مدل را بنویسید، باید مکانیسمی در مورد چگونگی تولید ماده تاریک، نحوه توضیح تنها چیزی که در مورد ماده تاریک می‌دانیم باشد – یعنی دقیقاً چقدر از آن وجود دارد.

دانشمندان می‌دانند که ماده تاریک تا حدودی باید وجود داشته باشد، زیرا لبه‌های بیرونی کهکشان‌ها سریع‌تر از حد انتظار در حال چرخش هستند — به قدری سریع که براساس یا نسبت به مقدار ماده معمولی در کهکشان‌ها، کهکشان‌ها باید از هم جدا شوند (تکه تکه شدن کهکشان). اما خوشبختانه برای ما، آنها هنوز وجود دارند. بنابراین، یک چیزرمز آلود و غیبی باید وجود داشته باشد که به حفظ آنها کمک کند.

ماده تاریک همچنین به‌طور غیرمستقیم در خوشه‌هایی از کهکشان‌ها مشاهده شده است که همچنین نباید در کنار هم قرار گیرند و همچنین در نوسانات تابش از کیهان اولیه که به عنوان پس‌زمینه مایکروویو کیهانی شناخته می‌شود.

جنویو بلانجر فیزیکدان در آزمایشگاه فیزیک نظری Annecy-le-Vieux در فرانسه می‌گوید: «تقریباً متقاعدکننده است که نوعی ماده تاریک در جهان وجود دارد و در واقع جزء بسیار مهم ماده را تشکیل می‌دهد.

برینگمن گفت که حدود 20 سال پیش، فیزیکدانان فکر می کردند که ماده تاریک به احتمال زیاد از ذرات سنگین فرضی، اما مشاهده نشده با برهمکنش ضعیف، یا WIMP ساخته شده است. این ذرات از طریق نیروی ضعیف که یکی از چهار نیروی اساسی در جهان است، با ماده معمولی برهم کنش می‌کنند. در حالی که در واقع قویتر از گرانش است، نیروی ضعیف تنها در سطح زیراتمی تأثیر دارد.

یکی از راه‌هایی که WIMPS ممکن است در جهان اولیه ایجاد و نابود شده باشد، مکانیسمی به نام «freeze-out » است. طبق این نظریه، WIMPهای ماده تاریک با ماده معمولی در فضایی متراکم و داغ در کیهان اولیه جمع می‌شدند و به دو ذره ماده تاریک اجازه برخورد و تبدیل به دو ذره منظم و بالعکس را می‌دادند.

با انبساط و سرد شدن جهان، ذراتی که از ماده منظم تشکیل شدند به انرژی کافی برای برخورد و ایجاد ماده تاریک دسترسی ندارند. احتمال برخورد ذرات ماده تاریک نیز به صفر نزدیک می‌شود. برینگمن می‌گوید: اگر جهان به این سرعت در حال انبساط باشد، احتمال اینکه [ذرات ماده تاریک] به هم برسند، کم و کمتر می‌شوند. با گذشت زمان، مقدار ماده تاریک در جهان تثبیت می‌شود.

وجود احتمالی WIMPها نیز توسط نظریه‌های جداگانه در فیزیک ذرات پیشنهاد شده است. اما فیزیکدانان سال‌هاست که از برخورددهنده‌های ذرات و آشکارسازهای زیرزمینی برای جستجوی WIMP‌ها استفاده می‌کنند و هنوز هیچ کدام را ندیده‌اند.

این بدان معنا نیست که WIMPها وجود ندارند. هاوارد بائر، فیزیکدان دانشگاه اوکلاهاما گفت که این امکان وجود دارد که ذرات  WIMPS وجود داشته باشد اما تا کنون شناسایی نشده‌اند. اما بلانگر گفت که چون هنوز کسی WIMP را ندیده است، مردم شروع به کشف جایگزینهایی برای توضیح این ماده تاریک کرده‌اند.

یک توضیح جایگزین برای تولید ماده تاریک مکانیسم “freeze -in” است که در آن ذره عظیم با تعامل ضعیف (FIMP) نمی‌تواند به تعادل حرارتی در کیهان اولیه برسد و یا از پراکندگی یا از فروپاشی ذرات در حمام حرارتی تولید می‌شود. این فرضیه حاکی از آن است که ماده تاریکی در آغاز جهان وجود نداشته است و ماده استاندارد و ذرات ماده تاریک توسط نیروی جدید و کشف نشده‌ای که ضعیفتر از نیروی ضعیف است به هم متصل شده‌اند. در حالت انجماد، ذرات ماده استاندارد با هم برخورد می‌کنند و ماده تاریک را در طول زمان تولید می‌کنند و در نهایت در مقدار ماده تاریک در جهان امروزی تثبیت می‌شوند.

مانند مکانیسم انجماد، مکانیسم جدیدی که برینگمن و همکارانش پیشنهاد می‌کنند با غلظت کمی از ذرات ماده تاریک و برهمکنش‌های بین ذرات ضعیف‌تر از نیروی ضعیف شروع می‌شود. اما به جای اینکه ادعا کنند برخوردهای ماده استاندارد باعث ایجاد ماده تاریک می‌شود، آنها پیشنهاد می‌کنند که یک ماده تاریک و ذره ماده استاندارد می‌توانند با هم برخورد کنند و دو ذره ماده تاریک تولید کنند. این امر منجر به رشد تصاعدی در مقدار ماده تاریک می‌شود، زیرا مقدار فزاینده‌ای از ماده تاریک با ماده معمولی برخورد می‌کند و ماده تاریک بیشتری را تولید می‌کند. برینگمن درباره مکانیسم پیشنهادی می‌گوید: «هنگامی که وارد این نوع مرحله تولیدی شود، منفجر می‌شود.

بلانگر گفت که این مکانیسم “یک جایگزین کاملاً ماندگار است و بررسی آن جالب است.”

نوشین شاه، فیزیکدان دانشگاه ایالتی وین در دیترویت، میشیگان که در مقاله جدید مشارکتی نداشت، گفت که محققان اکنون باید این مکانیسم را با مدل بزرگتری از تکامل ماده تاریک در جهان اولیه تطبیق دهند. نوشین شاه همچنین گفت که اگرچه نیاز به ساخت مدل بیشتری وجود دارد، نویسندگان اصول اولیه یک مدل ساده جذاب را در مقاله معرفی می‌کنند که می‌تواند کارساز باشد.

برای آزمایش یک مدل، محققان می‌توانند آنچه را که مدل نشان می‌دهد که باید در جهان امروزی ببینند، جستجو کنند. برینگمن گفت که ممکن است بتوان از مدل ساده با تشخیص اعوجاج های خاص در پس زمینه مایکروویو کیهانی پشتیبانی کرد.

مترجم : مرتضی نادری فرد

منبع:

A new idea for how dark matter came to dominate the universe

By Will Sullivan, Inside Science  |  Published: Monday, March 14, 2022

 https://astronomy.com/news/2022/03/a-new-idea-for-how-dark-matter-came-to-dominate-the-universe