دانشمندان استرالیایی در جستجوی ذره‌ای گریزان است که می‌تواند به کشف رمز و راز ماده تاریک کمک کند!!

دانشمندان استرالیایی در حال برداشتن گامهایی برای حل یکی از بزرگترین رازهای جهان هستند: ماهیت “ماده تاریک” نامرئی. (اعتبار تصویر: Shutterstock)

آزمایش ORGAN، اولین آشکارساز اصلی ماده تاریک استرالیا، اخیراً جست‌وجو برای ذره‌ای فرضی به نام اکسیون را به پایان رساند – نامزدی محبوب در میان نظریه‌هایی که سعی در توضیح ماده تاریک دارند.

ORGAN محدودیت‌های جدیدی را برای ویژگی‌های احتمالی اکسیون‌ها قرار داده است و بنابراین به محدود کردن جستجوی آنها کمک کرده است.

بیایید با یک داستان شروع کنیم

حدود 14 بیلیون سال پیش، تمام قطعات کوچک ماده – ذرات بنیادی که بعداً به شما، سیاره و کهکشان تبدیل شدند – در یک منطقه بسیار متراکم و داغ فشرده شدند.

سپس انفجار بزرگ اتفاق افتاد و همه چیز از هم پاشید. این ذرات به اتمها تبدیل شدند که در نهایت با هم جمع شدند و ستاره‌هایی را ساختند که منفجر شدند و انواع مواد عجیب و غریب را ایجاد کردند.

پس از چند بیلیون سال زمین بوجود آمد که در نهایت چیزهای کوچکی به نام انسان بوجود آمدند. این تمام داستان نیست. نصفش هم نیست.

مردم، سیارات، ستارگان و کهکشانها همه از «ماده منظم» ساخته شده‌اند. اما می‌دانیم که ماده منظم فقط یک ششم کل ماده جهان را تشکیل می‌دهد.

بقیه از چیزی ساخته شده است که ما آن را “ماده تاریک” می‌نامیم. نام آن تقریباً هر آنچه را که در مورد آن می‌دانیم به شما می‌گوید. نور ساطع نمی‌کند (بنابراین ما آن را “تاریک” می‌نامیم) و جرم دارد (پس به آن “ماده” می‌گوییم).

اگر نامرئی است، چگونه بفهمیم آنجاست؟

وقتی نحوه حرکت اشیاء را در فضا مشاهده می کنیم، بارها و بارها متوجه می‌شویم که اگر فقط آنچه را می‌بینیم در نظر بگیریم، نمی‌توانیم مشاهدات خود را توضیح دهیم.

کهکشانهای در حال چرخش یک مثال عالی هستند. بیشتر کهکشان‌ها با سرعتی می‌چرخند که تنها با کشش گرانشی ماده مرئی قابل توضیح نیست.

بنابراین باید ماده تاریکی در این کهکشانها وجود داشته باشد که گرانش اضافی را فراهم می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد سریعتر بچرخند – بدون اینکه قطعاتی به فضا پرتاب شوند. ما فکر می‌کنیم که ماده تاریک به معنای واقعی کلمه کهکشان‌ها را کنار هم نگه می‌دارد.

“خوشه گلوله” یک خوشه پرجرم از کهکشان است که شاهد قوی برای وجود ماده تاریک می‌باشد. (اعتبار تصویر: ناسا)

چگونه می‌توانیم آن را تشخیص دهیم؟

بسیاری از دانشمندان معتقدند ماده تاریک می‌تواند از ذرات فرضی به نام آکسیون تشکیل شده باشد. اکسیون‌ها در ابتدا به عنوان بخشی از راه حلی برای یک مشکل عمده دیگر در فیزیک ذرات به نام “مسئله CP قوی” پیشنهاد شدند.

به هر حال، پس از ارائه اکسیون، دانشمندان متوجه شدند که این ذره می‌تواند ماده تاریک را نیز تحت شرایط خاصی بسازد. به این دلیل که انتظار می‌رود اکسیون‌ها برهمکنش‌های بسیار ضعیفی با ماده منظم داشته باشند، اما هنوز مقداری جرم دارند: دو شرط لازم برای ماده تاریک.

پس چگونه می‌توانید به دنبال اکسیون بگردید؟

خوب، از آنجایی که تصور می‌شود ماده تاریک در اطراف ما وجود دارد، می‌توانیم آشکارسازهایی را دقیقاً در اینجا روی زمین بسازیم و خوشبختانه، نظریه‌ای که آکسیون‌ها را پیش‌بینی می‌کند. همچنین پیش بینی می‌کند که آکسیون‌ها می‌توانند در شرایط مناسب به فوتون (ذرات نور) تبدیل شوند.

این خبر خوبی است، زیرا ما در تشخیص فوتونها عالی هستیم و این دقیقاً همان کاری است که ORGAN انجام می‌دهد. شرایط صحیح برای تبدیل آکسیون- فوتون را مهندسی می‌کند و به دنبال سیگنال‌های فوتون ضعیف می‌گردد – جرقه‌های کوچک نور تولید شده توسط ماده تاریک که از آشکارساز عبور می‌کند.

این نوع آزمایش هالوسکوپ محوری نامیده می‌شود و اولین بار در دهه 1980 پیشنهاد شد. امروزه تعداد کمی در جهان وجود دارد که هر کدام از جهات مهم کمی متفاوت هستند.

آشکارساز اصلی ORGAN Experiment. یک استوانه مسی کوچک به نام “حفره تشدید” فوتون های تولید شده در طول تبدیل ماده تاریک را به دام می‌اندازد. سیلندر به یک “یخچال رقیق” متصل شده است که آزمایش را تا دمای بسیار پایین خنک می‌کند. (اعتبار تصویر: نویسنده)

تابیدن نور بر ماده تاریک

اعتقاد بر این است که یک اکسیون در حضور یک میدان مغناطیسی قوی به فوتون تبدیل می‌شود. در یک هالوسکوپ معمولی، ما این میدان مغناطیسی را با استفاده از یک آهنربای الکتریکی بزرگ به نام “سلونوئید ابررسانا” تولید می‌کنیم.

در داخل میدان مغناطیسی یک یا چند محفظه توخالی فلزی قرار می‌دهیم که قرار است فوتون‌ها را به دام بیندازند و باعث جهش آن‌ها در داخل شوند و تشخیص آنها را آسان‌تر کند.

هر چیزی که دما دارد دائماً جرقه‌های تصادفی کوچکی از خود ساطع می‌کند (به همین دلیل است که دوربین های تصویربرداری حرارتی کار می‌کنند). این انتشارات تصادفی یا «نویز» تشخیص سیگنال‌های ضعیف ماده تاریک را سخت‌تر می‌کند که به دنبال آن هستیم.

برای حل این مشکل، ما تشدید کننده خود را در یک “یخچال رقیق سازی” قرار داده‌ایم. این یخچال فانتزی آزمایش را تا دمای برودتی، حدود 273- درجه سانتیگراد خنک می‌کند که تا حد زیادی نویز را کاهش می‌دهد.

هرچه آزمایش سردتر باشد، بهتر می‌توانیم به فوتون‌های ضعیف تولید شده در طی تبدیل ماده تاریک گوش کنیم.

هدف قرار دادن مناطق انبوه

یک محور با جرم معین به فوتون با فرکانس یا رنگ معین تبدیل می‌شود. اما از آنجایی که انبوه آکسیونها ناشناخته است، آزمایشها باید جستجوی خود را در مناطق مختلف، متمرکز بر مناطقی انجام دهند که احتمال وجود ماده تاریک در آنها وجود دارد.

اگر هیچ سیگنال ماده تاریکی یافت نشد، یا آزمایش به اندازه کافی برای شنیدن سیگنال بالای نویز حساس نیست، یا ماده تاریکی در ناحیه جرم محور مربوطه وجود ندارد.

وقتی این اتفاق می‌افتد، ما یک “محدودیت حذف” تعیین می‌کنیم – که فقط راهی برای گفتن “ما هیچ ماده تاریکی را در این محدوده جرمی، تا این سطح از حساسیت پیدا نکردیم.” این به بقیه جامعه تحقیقاتی ماده تاریک می‌گوید که جستجوهای خود را به جای دیگری هدایت کنند.

ORGAN حساس ترین آزمایش در محدوده فرکانس مورد نظر خود است. اجرای اخیر آن هیچ سیگنال ماده تاریکی را شناسایی نکرد. این نتیجه محدودیت حذف مهمی را برای ویژگی‌های احتمالی آکسیون‌ها تعیین کرده است.

این اولین مرحله از یک برنامه چند ساله برای جستجوی اکسیون است. ما در حال حاضر در حال آماده سازی آزمایش بعدی هستیم که حساستر خواهد بود و محدوده جرمی جدید و هنوز کشف نشده را هدف قرار می‌دهد.

اما چرا ماده تاریک اهمیت دارد؟

خوب، اولاً، ما از تاریخ می‌دانیم که وقتی روی فیزیک بنیادی سرمایه‌گذاری می‌کنیم، در نهایت فناوری‌های مهمی را توسعه می‌دهیم. به عنوان مثال، تمام محاسبات مدرن به درک ما از مکانیک کوانتومی متکی است.

ما هرگز الکتریسیته یا امواج رادیویی را کشف نمی‌کردیم، اگر چیزهایی را دنبال نمی‌کردیم که در آن زمان، پدیده‌های فیزیکی عجیب و غریبی فراتر از درک ما به نظر می‌رسیدند. ماده تاریک هم همینطور.

همه چیزهایی را که انسانها با درک فقط یک ششم ماده در جهان به دست آورده‌اند در نظر بگیرید – و تصور کنید اگر قفل بقیه را باز کنیم، چه کاری می‌توانیم انجام دهیم.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

This Australian experiment is on the hunt for an elusive particle that could help unlock the mystery of dark matter

By Ben McAllister 

https://www.space.com/this-australian-experiment-is-on-the-hunt-for-an-elusive-particle-that-could-help-unlock-the-mystery-of-dark-matter