دانشمندان استرالیایی در حال برداشتن گام‌هایی برای حل یکی از بزرگترین اسرار جهان: ماهیت ماده تاریک نامرئی هستند.
آزمایش ORGAN، اولین آشکارساز اصلی ماده تاریک استرالیا، اخیراً جست‌وجو برای ذره‌ای فرضی به نام اکسیون را به پایان رساند - یک نامزد 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. اما قبل از اینکه از خودمان جلو بزنیم…
بیایید با یک داستان شروع کنیم
حدود 14 میلیارد 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 میلیارد سال زمین آمد که در نهایت با چیزهای کوچکی به نام انسان در حال خزیدن بود. داستان باحالی، درسته؟ معلوم شد این تمام داستان نیست؛ نصفش هم نیست
مردم، سیارات، ستاره ها و کهکشان ها همگی از ماده منظم ساخته شده اند. اما می دانیم که ماده منظم فقط یک ششم کل ماده جهان را تشکیل می دهد.
بقیه از چیزی که ما آن را ماده تاریک می نامیم ساخته شده است. نام آن تقریباً هر آنچه را که در مورد آن می دانیم به شما می گوید. نور ساطع نمی کند (بنابراین ما آن را تاریک می نامیم) و جرم دارد (پس ما آن را ماده می نامیم).
اگر نامرئی است، چگونه می‌دانیم که آنجاست؟
وقتی نحوه حرکت اشیاء را در فضا مشاهده می کنیم، بارها و بارها متوجه می شویم که اگر فقط آنچه را می بینیم در نظر بگیریم، نمی توانیم مشاهدات خود را توضیح دهیم.
کهکشان های در حال چرخش یک مثال عالی هستند. بیشتر کهکشان‌ها با سرعتی می‌چرخند که تنها با کشش گرانشی ماده مرئی قابل توضیح نیست.
بنابراین باید در این کهکشان‌ها ماده تاریک 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 می کنیم که ماده تاریک به معنای واقعی کلمه کهکشان ها را کنار هم نگه می دارد.
بنابراین باید مقدار عظیمی از ماده تاریک در جهان وجود داشته باشد که همه چیزهایی را که ما می‌توانیم ببینیم، می‌کشد. از تو نیز می گذرد، مانند نوعی شبح کیهانی. شما فقط نمی توانید آن را احساس کنید.
چگونه می توانیم آن را تشخیص دهیم؟
بسیاری از دانشمندان معتقدند ماده تاریک می تواند از ذرات فرضی به نام اکسیون تشکیل شده باشد. اکسیون ها در اصل به عنوان بخشی از راه حلی برای مشکل اصلی دیگری در فیزیک ذرات به نام مسئله CP قوی (که می توانیم یک مقاله کامل در مورد آن بنویسیم) پیشنهاد شدند.
به هر حال، پس از ارائه اکسیون، دانشمندان متوجه شدند که این ذره می تواند ماده تاریک را نیز تحت شرایط خاصی بسازد. به این دلیل که انتظار می رود اکسیون ها برهمکنش 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 می شود ماده تاریک در اطراف ما وجود دارد، می توانیم آشکارسازهایی را دقیقاً در اینجا روی زمین بسازیم. و خوشبختانه، نظریه ای که آکسیون ها را پیش بینی می کند همچنین پیش بینی می کند که آکسیون ها می توانند در شرایط مناسب به فوتون (ذرات نور) تبدیل شوند.
این خبر خوبی است، زیرا ما در تشخیص فوتون ها عالی هستیم. و این دقیقاً همان کاری است که ORGAN انجام می دهد. شرایط صحیح برای تبدیل آکسیون- فوتون را مهندسی می کند و به دنبال سیگنال های فوتون ضعیف می گردد – فلاش های کوچک نور تولید شده توسط ماده تاریک که از آشکارساز عبور می کند.
این نوع آزمایش هالوسکوپ آکسیون نامیده می شود و برای اولین بار در سال 1395 ارائه شد 1980s. امروزه تعداد کمی در جهان وجود دارد که هر کدام از جهات مهم کمی متفاوت هستند.
تابیدن نور بر ماده تاریک
اعتقاد بر این است که یک اکسیون در حضور یک میدان مغناطیسی قوی به فوتون تبدیل می شود. در یک هالوسکوپ معمولی، ما این میدان مغناطیسی را با استفاده از یک آهنربای الکتریکی بزرگ به نام سولنوئید ابررسانا ایجاد می کنیم.
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.
با این حال، یک سکسکه وجود دارد. هر چیزی که دما دارد دائماً فلاش های تصادفی کوچکی از خود ساطع می کند (به همین دلیل است که دوربین های تصویربرداری حرارتی کار می کنند). این انتشارات تصادفی یا نویز، تشخیص سیگنال‌های ضعیف ماده تاریک را که به دنبال آن هستیم، سخت‌تر می‌کند.
برای حل این مشکل، ما تشدید کننده خود را در یک یخچال رقیق قرار داده ایم. این یخچال فانتزی آزمایش را تا دمای برودتی، حدود 273- درجه سانتیگراد خنک می کند، که تا حد زیادی نویز را کاهش می دهد.
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 می شود. اما از آنجایی که انبوه آکسیون ها ناشناخته است، آزمایش ها باید جستجوی خود را در مناطق مختلف، متمرکز بر مناطقی که احتمال وجود ماده تاریک در آن ها وجود دارد، انجام دهند.
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 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 تعیین کرده است از آکسیون ها.
این اولین مرحله از یک برنامه چند ساله برای جستجوی اکسیون است. ما در حال حاضر در حال آماده سازی آزمایش بعدی هستیم که حساس تر خواهد بود و محدوده جرمی جدید و هنوز کشف نشده را هدف قرار می دهد.
اما چرا ماده تاریک مهم است؟
خوب، اولاً، ما از تاریخ می دانیم که وقتی روی فیزیک بنیادی سرمایه گذاری می کنیم، در نهایت فناوری های مهمی را توسعه می دهیم. 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 است.
همه چیزهایی را که انسان ها با درک فقط یک ششم ماده در جهان به دست آورده اند را در نظر بگیرید - و تصور کنید اگر قفل بقیه را باز کنیم، چه کاری می توانیم انجام دهیم.
این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.
تصویر های اعتباری: همکاری Illustris
