ماده تاریک: آیا یک میلیارد آونگ کوچک می‌تواند جرم گمشده کیهان را بیابند؟

پژوهشگران در مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و همکارانشان یک روش جدید برای یافتن ماده تاریک پیشنهاد کرده‌اند، ماده‌ی اسرارآمیز کیهان که چندین دهه است به دنبالش هستیم. ماده تاریک حدود ۲۷ درصد از کیهان را می‌سازد؛ ماده معمولی مانند ماده سازنده ستاره‌ها و سیارات، حدود فقط ۵ درصد از کیهان را تشکیل می‌دهد. و انرژی تاریک بسیار اسرارآمیز نیز ۶۸ درصد را تشکیل می‌دهد.

کیهان‌شناسان معتقدند، همه مواد مرئی در کیهان در اقیانوسی بی‌انتها از ماده تاریک غوطه‌ورند. اگرچه ذرات ماده تاریک نامرئی هستند اما با این‌حال جرم دارند و نیروی گرانشی وارد می‌کنند. گرانش ماده تاریک چسبی است که از جدا شدن کهکشان‌ها جلوگیری می‌کند و مسئول چگونگی تجمع یافتن ماده به صورت کهکشان‌ها است.

آزمایشی که اخیرا پیشنهاد شده، شامل یک میلیارد آونگ (پاندول) در ابعاد میلی‌متری است که به عنوان سنسورهای حساس به ماده تاریک به کار می‌روند و اولین نوع آزمایش برای شناسایی ماده تاریک خواهد بود که تنها از طریق برهمکنش گرانشی بین ماده تاریک و ماده مرئی انجام می‌شود. این آزمایش یکی از چند آزمایش برای جستجوی ذرات ماده تاریک با فرض جرمی به کوچکی دانه‌ی نمک خواهد بود، مقیاس جرمی که به ندرت کاوش شده و هرگز توسط سنسورهای حساس به گرانش بسیار ضعیف مطالعه نشده است.

آزمایش‌های قبلی با نشانه‌های غیر گرانشی برهمکنش بین ماده ذرات نامرئی ماده تاریک و ذرات ماده معمولی به دنبال آن بودند. این آزمایش‌ها برای نوع فرضی از ماده تاریک به نام WIMP ها (ذرات پرجرم دارای برهمکنش ضعیف) به کار می‌روند، که WIMP ها برای بیش از دو دهه کاندید اصلی ماده تاریک بودند. فیزیکدان‌ها به دنبال شواهدی بودند که وقتی WIMP ها گاهی با مواد شیمیایی درون یک آشکارساز برهمکنش کنند، فوتون تابش کنند یا بار الکتریکی پرتاب شود.

محققانی که به دنبال WIMP ها بدین طریق بودند دستشان خالی ماند و یا به نتایج خاصی نرسیدند؛ ذرات بسیار سبک هستند (از لحاظ نظری در بازه جرمی بین یک الکترون و یک پروتون) و آشکارسازی آن‌ها در یک طناب‌کشی گرانشی بسیار دشوار است.

دنیل کارنی (Daniel Carney) نویسنده همکار این پژوهش که فیزیکدان نظری در NIST ، موسسه JQI و مرکز علوم کامپیوتر و اطلاعات کوانتومی (QuICS) در دانشگاه مریلند و آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی  است می‌گوید:

طرح پیشنهادی ما بطور محض به جفت‌شدگی گرانشی، تنها جفت‌شدگی که ما از وجود آن بین ماده تاریک و ماده درخشان مطمئن هستیم مربوط است.

محققان، که همچنین شامل ژاکو تیلور (Jacob Taylor) از NIST ، JQI و QuICS ، سهیتری گوش (Sohitri Ghosh) از JQI و QuICS و گوردن کرنجایک (Gordon Krnjaic) از شتابدهنده فرمی هستند، محاسبه کرده‌اند که روش آن‌ها می‌تواند با ماده تاریکی حداقل به اندازه جرم یک ذره‌ی نمک به دنبال ماده تاریک بگردد که این جرم یک میلیارد میلیارد برابر جرم یک پروتون است. یافته‌های آن‌ها در Physical Review D به چاپ رسیده است.

کارنی می‌گوید:

به دلیل این‌که تنها چیز مجهول در آزمایش جرم ذره ماده تاریک است، و نه چگونگی جفت‌شدگی آن با ماده معمولی، اگر کسی آزمایشی که ما پیشنهاد می‌کنیم را بسازد، آن‌‌ها می‌توانند یا ماده تاریک را بیابند یا اینکه همه کاندیداهای ماده تاریک را در بازه گسترده‌ای از جرم‌های ممکن رد کنند.

آزمایش پیشنهاد شده برای ذراتی از بازه جرم 1/5000 یک میلی‌گرم تا چند میلی‌گرم حساس خواهد بود.

این مقیاس جرم بطور ویژه مورد توجه است چرا که جرم پلانک را نیز شامل می‌شود، میزانی از جرم که تنها با سه ثابت بنیادی طبیعت مشخص می‌شود و معادل با 1/5000 یک گرم است.

کارنی، تیلور و همکارانشان دو نمای کلی برای آزمایش ماده تاریک‌شان پیشنهاد می‌کنند. هر دو شامل دستگاه‌های مکانیکی در ابعاد میلی‌متری که به عنوان آشکارسازهای حساس به گرانش عمل می‌کنند. سنسورها تا دمایی کمی بالاتر از صفر مطلق سرد خواهند شد تا نویز الکتریکی مرتبط با گرما را کاهش دهند و از پرتوهای کیهانی و دیگر منابع پرتوهای رادیویی محفاظت شوند. در یک سناریو، هزاران هزار آونگ فوق حساس به میزان کمی به دلیل کشش گرانشی ذرات ماده تاریک عبوری منحرف خواهند شد.

دستگاه‌های مشابهی (با ابعاد بسیار بزرگتر) هم اکنون در آشکارسازی امواج گرانشی (که برنده نوبل شد) که اعوجاج‌هایی در فضا زمان هستند به کار رفته است. آینه‌های معلق بسیار حساس، مانند آونگ‌ها عمل می‌کنند، که به اندازه طول کمتر از یک اتم در واکنش به امواج گرانشی جابجا می‌شوند.

در استراتژی دیگر، محققان پیشنهاد کرده‌اند که از گوی‌های معلق توسط میدان مغناطیسی یا دانه‌های معلق شده توسط نور لیزر استفاده شود. در این نمای طرح، تعلیق گوی‌ها با شروع آزمایش خاموش می‌شود، و در نتیجه کره‌ها یا دانه‌ها سقوط آزاد می‌کنند. گرانش ذرات ماده تاریک عبوری به میزان بسیار اندکی مسیر سقوط آزاد این گوی‌ها را منحرف خواهد کرد.

تیلور می‌گوید:

ما از حرکت اجسام به عنوان سیگنال خودمان استفاده می‌کنیم. این متفاوت از هر آشکارساز ذرات دیگری است.

محققان محاسبه کرده‌اند که یک آرایه از یک میلیارد سنسور مکانیکی کوچک که در یک متر مکعب توزیع شده باشد لازم است تا ذره ماده تاریک را از ذره عادی یا سیگنال‌های الکتریکی تصادفی یا نویز تفکیک کند. ذرات زیراتمی نظیر نوترون‌ها (که از طریق برهمکنش غیرگرانشی برهمکنش می‌کنند) در یک آشکارساز منفرد متوقف خواهد شد. برعکس، دانشمندان انتظار دارند که ذرات ماده تاریک، مانند یک شهاب‌سنگ مینیاتوری از آشکارساز عبور کند، و هر آشکارساز را طی مسیر یکی پس از دیگری به حرکت درآورد.

نویز موجب خواهد شد که آشکارسازهای منفرد به صورت تصادفی و مستقل حرکت کنند به جای حرکت سلسله‌وار که هنگام عبور ذره ماده تاریک رخ می‌دهد. به عنوان یک امتیاز، حرکت مختصه‌ای یک میلیارد آشکارساز راستای ذره ماده تاریک را نیز مشخص خواهد کرد.

برای ساخت این تعداد سنسور کوچک، گروه تحقیقاتی ممکن است از روش‌هایی که تلفن‌های هوشمند و صنایع خودکار هم‌اکنون استفاده می‌کنند استفاده کنند تا این تعداد آشکارساز مکانیکی را بسازند.

به لطف حساسیت آشکارسازهای منفرد، محققانی که از فناوری استفاده می‌کنند نیاز نیست خود را به سمت تاریک محدود کنند. نسخه کوچک-مقیاس‌تری از همین آزمایش می‌تواند نیروهای ضعیف حاصل از امواج زمین‌لرزه‌ای دوردست را با عبور از ذرات زیراتمی معمولی نظیر نوترینوها یا فوتون‌های کم انرژی آشکار کند.

مقاله مرجع:

“Proposal for gravitational direct detection of dark matter” by Daniel Carney, Sohitri Ghosh, Gordan Krnjaic and Jacob M. Taylor, 13 October 2020, Physical Review D.

منبع: SciTechdaily