دانشمندان در آزمایشی عمیق در زیر زمین نشانهای احتمالی از مادهای مرموز به نام ماده تاریک یافتهاند که بخش عمده جرم جهان را تشکیل میدهد اما تاکنون مستقیماً دیده نشده است. این یافته میتواند گامی بزرگ در درک یکی از بزرگترین رازهای فیزیک و کیهانشناسی باشد، هرچند هنوز نیازمند تأییدهای بیشتری است.
به گزارش سیناپرس، تقریباً یکهزار و پانصد متر زیر سطح زمین، در یک معدن طلا قدیمی در ایالت داکوتای جنوبی آمریکا، آشکارسازی بسیار حساس به نام لوکس-زپلین (LUX-ZEPLIN یا LZ) قرار دارد. این دستگاه حاوی هفت تن زنون مایع خالص است و طی عملیات جدید انجام شده در این مرکز ، ذرهای ناشناخته از میان این مخزن عبور کرده و با هسته یکی از اتمهای زنون برخورد نمود. انرژی این برخورد برابر با دویست و چهل و هشت کیلو الکترون ولت بود؛ مقداری حدود چهار برابر انرژی بهکاررفته در اسکنهای پزشکی توموگرافی و کمی کمتر از بیشتر پرتوهای گاما. پس از بررسی دقیق همه منابع احتمالی سیگنالهای عادی، این رویداد همچنان برجسته باقی ماند و توجه جامعه علمی جهان را به خود جلب کرد.
در این شرایط نکته بسیار با اهمیت این است که اگر پژوهشگران بتوانند ذرات مشابه دیگری با انرژی نزدیک به این مقدار مشاهده کنند، ممکن است نخستین تشخیص مستقیم ماده تاریک تأیید شود. ماده تاریک مادهای نامرئی است که بر اساس شواهد گرانشی، حدود هشتاد و پنج درصد جرم کل جهان را تشکیل داده و به دلیل شرایط خاص خود، تاکنون هیچ تجربه بررسی مستقیم این ماده توسط انسان میسر نشده و وجود آن از طریق تأثیر بر حرکت کهکشانها و سایر اجرام قابل مشاهده استنباط و ذرات تشکیلدهنده آن هرگز مستقیماً شناسایی نشدهاند. دکتر تریسی اسلاتر (Tracy Slatyer) از مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) تأکید میکند که مشاهده یک رویداد برای فرآیندهای بسیار نادر، معمولاً نقطه آغاز کشف است، هرچند هنوز در مراحل ابتدایی قرار داریم.
گفتنی است آزمایش لوکس-زپلین از سال ۲۰۲۱ دادهبرداری را آغاز کرده و بر این اصل کار میکند که زمین احتمالاً در دریایی از ذرات ماده تاریک شناور است و گاهگاهی یکی از این ذرات باید با هسته اتمهای بزرگ مانند زنون برخورد و جرقههای نوری کوچک و جریانهایی از الکترون تولید نماید که توسط آرایههای حساس اطراف مخزن ثبت میشوند. بسیاری از نظریهپردازان بر این باورند که ماده تاریک از ذرات پرجرم با برهمکنش ضعیف (WIMPs) تشکیل شده است. این ذرات معمولاً ده تا صد برابر جرم پروتون دارند و با سرعتی نسبتاً آهسته حرکت میکنند. انتظار میرفت برخورد آنها انرژیهایی در حدود پنجاه کیلو الکترونولت ایجاد کند، اما در دادههای اولیه چنین رویدادی مشاهده نشد.
از این رو تیم پژوهشی دامنه جستوجو را گسترش داد و دادههای بیشتری مربوط به سالهای ۲۰۲۳ و ۲۰۲۴ را بررسی کرد. انرژیهای مورد مطالعه تا دویست و هفتاد کیلو الکترونولت افزایش یافت. پس از کسر تأثیر همه ذرات شناختهشده، یک رویداد منفرد ظاهر شد. اهمیت آماری این یافته هنوز به اندازهای نیست که بتوان با اطمینان کامل آن را ذرهای جدید اعلام کرد اما ممکن است فرآیندهای پسزمینه نادر دیگری نیز وجود داشته باشد که تاکنون در محاسبات لحاظ نشدهاند. با این حال، ورا گلاسویچ (Vera Gluscevic) از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی یادآور میشود که اگر قطعات متعدد پازل به شکلی منسجم کنار هم قرار گیرند، احتمال جدی بودن این یافته افزایش مییابد.
این ذره حدود دویست برابر جرم پروتون به نظر میرسد؛ دو برابر آنچه برای ذرات پرجرم با برهمکنش ضعیف انتظار میرفت. افزون بر این، اگر ماده تاریک از نوع معمول این ذرات بود، باید تعداد زیادی رویداد با انرژی پایینتر و تعداد کمی با انرژی بالا مشاهده میشد.
دکتر هنینگ فلاشر (Henning Flaecher) از دانشگاه بریستول در این رابطه میگوید تیم تحقیقاتی ابتدا بسیار هیجانزده شد، اما به سرعت پرسشهای بسیاری مطرح گردید. پژوهشگران پیشنهاد کردهاند که این ذره ممکن است نوعی ذره فرضی به نام هیگزینو (Higgsino) باشد. چنین ذرهای میتواند در حالتهای سنگین و سبک ظاهر شود و تنها در حالت سنگین با اتمهای زنون برخورد پرانرژی ایجاد کند. این فرضیه میتواند توضیح دهد چرا آشکارسازهای دیگر نیز در محدودههای انرژی پایینتر چیزی نیافتهاند.
از سوی دیگر، زمان وقوع رویداد نیز مورد توجه قرار گرفته است. سرعت حرکت زمین در کهکشان به موقعیت آن در مدار خورشید بستگی دارد. در تابستان زمین همراه با خورشید حرکت میکند و برخورد ذرات ماده تاریک باید قویتر باشد. تشخیص مورد بحث در شانزدهم ژوئن رخ داد که نزدیک به تاریخ پیشبینیشده بیشینه برخورد در دوم ژوئن است. با این حال، حتی اگر این ذره هیگزینو باشد، ماده تاریک ممکن است خانوادهای از ذرات مختلف را شامل شود و این تنها یکی از اعضای آن باشد.
در حال حاضر جستوجو برای تأیید این یافته شدت گرفته و طی تحقیقات مشترک بعدی، سه برابر داده بیشتری جمعآوری شده و پژوهشگران در حال تحلیل آن هستند. انتظار میرود اگر نرخ ظهور این ذرات ثابت باشد، یک تا سه رویداد مشابه دیگر مشاهده شود. آزمایشهای مشابهی مانند زنونانتی (XENONnT) در ایتالیا و پاندایکس (PandaX) در چین نیز در انرژیهای بالاتر دادهبرداری کرده و پروژههای جدیدی نیز در حال ساخت هستند که از آن میان می توان به دارکساید-۲۰کی (DarkSide-20k) در ایتالیا اشاره کرد که از آرگون مایع برای جستوجوی ذرات کمانرژیتر استفاده خواهد شد. محققان معتقدند افزایش چشمگیر حساسیت این آزمایشها امکان کشفهای غیرمنتظره را فراهم میآورد.
برای تأیید نهایی، دانشمندان باید نشان دهند که این ذرات با رفتار مورد انتظار ماده تاریک همخوانی دارند. یکی از راهها جستوجوی سیگنالهای ناشی از نابودی ذرات ماده تاریک در مرکز کهکشان راه شیری است که باید پرتوهای گاما تولید کند. رصدخانه آرایه تلسکوپ چرنکوف (Cherenkov Telescope Array Observatory) که قرار است در اواخر سال ۲۰۲۶ یا اوایل ۲۰۲۷ آغاز به کار کند و تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی (Fermi Gamma-ray Space Telescope) که پیشتر نشانههایی بحثبرانگیز ثبت کرده، در این زمینه نقش خواهند داشت. همچنین ذرات ماده تاریک ممکن است در خورشید متمرکز شوند و نوترینوهای پرانرژی تولید کنند که توسط رصدخانه نوترینوی آیسکیوب (IceCube Neutrino Observatory) در جنوبگان یا جونو (JUNO) در چین قابل شناسایی باشند.
در نهایت، اگر این رویداد واقعاً نخستین مشاهده مستقیم ماده تاریک باشد، تأثیر عمیقی بر فیزیک خواهد گذاشت و احتمالاً در رویدادهای علمی مهم از آن یاد خواهد شد. تا آن زمان، پژوهشگران با دقت و احتیاط به جمعآوری دادههای بیشتر و بررسی همه احتمالات ادامه میدهند تا تصویری روشنتر از این بخش پنهان جهان بهدست آورند.
مترجم: فاطمه کردی