فوتون‌های «پنهان» می‌توانند بر ماده تاریک مرموز نور بتابانند!!

یک تکنیک آزمایشی جدید محدودیت‌هایی را برای کاندیدای بالقوه ماده تاریک به نام «فوتون‌های تاریک» قرار می‌دهد.

تصویری از رشته‌های ماده تاریک در شبکه کیهانی که بین کهکشان‌ها کشیده شده است. (اعتبار تصویر: پروژه EAGLE)

یک روش جدید می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا با محدود کردن شکار یک ماده تاریک خاص  ” فوتونهای تاریک ” پنهان، اسرارآمیزترین ماده جهان را شکار کنند.

ماده تاریک حدود 85 درصد از محتوای ماده جهان را تشکیل می‌دهد، اما به دلیل اینکه با نور برهمکنش نمی‌کند یا بسیار ضعیف است، به طور موثر نامرئی باقی می‌ماند. این واقعیت که به نظر نمی‌رسد ماده تاریک به صورت الکترومغناطیسی برهمکنش داشته باشد به این معنی است که نمی‌تواند از اتم هایی تشکیل شود که ماده «عادی» تشکیل‌دهنده ستاره‌ها، سیارات و بدن ما را تشکیل می‌دهند.

معمای ماده تاریک برای دانشمندان بسیار مشکل است زیرا به این معنی است که ماده ای که می بینیم فقط 15 درصد از مواد کیهان، بدون احتساب انرژی را شامل می‌شود که منجر به جستجوی  کاندیدهای بالقوه ماده تاریک، مانند فوتونهای به اصطلاح “پنهان” یا “تاریک” شده است.

این فوتون‌های تاریک با فوتونهای معمولی متفاوت هستند که ذرات بدون جرمی هستند که نور را تشکیل می‌دهند، زیرا فوتون‌های تاریک دارای جرم هستند. جرم فوتون‌های تاریک بسیار کوچک است (در حدود بیست مرتبه کمتر از جرم یک الکترون). با این حال، این طبیعت فوق سبک است که فوتونهای تاریک را کاندیدای مناسبی برای ماده تاریک می‌کند و همچنین تشخیص آنها را بسیار سخت می‌کند.

فوتون‌های تاریک در ابتدا به عنوان کاندید ماده تاریک پیشنهاد شدند، زیرا از نظر تئوری، برهمکنش ضعیفی با فوتون‌های معمولی داشتند، به این معنی که می‌توانستند در گرم کردن جهان اولیه نقش داشته باشند که توضیح می‌دهد که چرا شبکه کیهانی، ساختاری در مقیاس بزرگ در جهان است که کهکشان‌ها را به هم متصل می‌کند، داغ‌تر از آن چیزی است که تلسکوپ فضایی هابل رصد می‌کرد.

اکنون، محققان موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) روش جدیدی برای تشخیص فوتونهای تاریک ارائه کرده‌اند. در حالی که این استراتژی جدید هنوز هیچ یک از ذرات فرضی را پیدا نکرده است، محدودیتهایی را برای ویژگی‌های آنها ایجاد کرده است که به جستجوهای آینده کمک می‌کند.

نیکیتا کلیموویچ، محقق گروه فیزیک دانشگاه آکسفورد، به Phys.org گفت: “حساسیت آزمایش ماده تاریک فوتون پنهان به قدرت سیگنال ماده تاریک در مقایسه با کوچکترین سیگنالی بستگی دارد که می‌توانید تشخیص دهید.”

شکار ماده تاریک فوق سرد

الهام بخش جستجوی فوتون تاریک این تیم از تلاش قبلی برای شکار ماده تاریک پنهان به نام آزمایش SHUKET است که از یک تلسکوپ الکترومغناطیسی استفاده می‌کند.

کلیموویچ توضیح داد: «جستجوهای قبلی که الهام‌بخش این کار بودند، مانند آزمایش SHUKET، عموماً با هدف به حداکثر رساندن قدرت سیگنال از طریق داشتن یک دیش بسیار بزرگ و در عین حال استفاده از بهترین تقویت‌کننده‌های تجاری موجود کم‌صدا بود که به آن‌ها دسترسی داشتند.

این تیم در مطالعه جدید رویکرد متفاوتی را در پیش گرفت، اما از تقویت‌کننده‌های محدود کوانتومی استفاده کرد و شکار فوتون تیره خود را در دماهای بسیار پایین انجام داد. آنها در دمایی بین منفی 459 درجه فارنهایت (منهای 272.9 درجه سانتیگراد) و منفی 459.6682 درجه فارنهایت (منفی 273.149 درجه سانتیگراد) جستجو کردند که فقط کسری از سردترین دمای ممکن از لحاظ نظری، صفر مطلق، گرمتر است که به دانشمندان این امکان را داد تا حداقل سطوح سیگنالی را که می‌توانستند در مقایسه با سایر آزمایش‌ها به میزان قابل توجهی کاهش دهند، اما با یک اشکال بزرگ همراه بود. محیط کوچک عایق خلاء دستگاه کرایوستات که دانشمندان برای خنک کردن دستگاه خود استفاده کردند، اندازه ظرف فلزی کروی شکلی را که می‌توانستند در جستجوی خود استفاده کنند، به شدت محدود می‌کرد.

اگرچه این امر به معنای سیگنال بسیار پایین‌تری نسبت به سیگنالی بود که توسط SHUKET و سایر آزمایش‌های شکار ماده تاریک شناسایی شد، تیم امیدوار بود که این نقطه ضعف با افزایش حساسیت اندازه‌گیری‌هایی جبران شود که جمع‌آوری می‌کنند.

کلیموویچ گفت: «اگر یک فوتون مخفی با جرمی مطابق با محدوده فرکانسی که ما به آن حساس بودیم وجود داشته باشد، ما باید مقدار کمی از قدرت اضافی را در مقایسه با مرجع مشاهده کنیم. از آنجایی که ما چنین سیگنالی را ندیدیم، می‌توانیم بر اساس کوچک‌ترین سطح سیگنالی که می‌توانستیم تشخیص دهیم، یک حد بالایی جدید برای جفت شدن چنین ذره فوتون پنهان با میدان الکترومغناطیسی تعیین کنیم.»

در حالی که سیگنال فوتون‌های تاریک در اندازه‌گیری این تیم وجود نداشت، رویکرد اتخاذ شده توسط دانشمندان محدودیت‌های شدید جدیدی را برای فوتون‌های پنهان نظری ایجاد کرده است. همانطور که جستجو برای نامزدهای ماده تاریک ادامه دارد، این محدودیت ها و این رویکرد جدید در نهایت می تواند در کشف فوتون های تاریک و در نتیجه در حل معمای ماده تاریک نقش داشته باشد.

کلیموویچ در پایان می‌گوید: «به‌جز محدودیت‌های جدید تعیین‌شده برای تشخیص، ما یک رویکرد بسیار قابل دسترس برای آزمایش‌های فوتون پنهان در آینده نشان داده‌ایم».

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

‘Hidden’ photons could shed light on mysterious dark matter

By Robert Lea

https://www.space.com/hidden-dark-matter-candidate-photons