در اعماق تپههای بلک هیلز در ایالت داکوتای جنوبی آمریکا، فیزیکدانان سالهاست در جستوجوی ماده تاریک هستند. این ماده تاکنون از شناسایی مستقیم فرار کرده، اما تصور میشود تقریباً همهجا وجود دارد و حدود ۸۵ درصد جرم جهان را تشکیل میدهد و مانند چارچوبی نامرئی، کهکشانها را در کنار هم نگه میدارد.
 |
آرایهای از حسگرهای نوری که برای ثبت نور بسیار ضعیفی طراحی شدهاند که هنگام برهمکنش یک ذره ماده تاریک با اتمهای زنون درون آشکارساز LZ ایجاد میشود.
پژوهشگرانی که در آزمایش ماده تاریک LUX-ZEPLIN یا LZ فعالیت میکنند، یک آشکارساز فوقحساس ذرات که درون یک معدن طلای متروکه در اعماق زمین قرار دارد، یک برهمکنش ذرهای ثبت کردهاند که نمیتوان آن را با هیچیک از سیگنالهای پسزمینه شناختهشده ناشی از ماده معمولی توضیح داد.
این رویداد که در یک مقاله پیشانتشار برای انتشار در مجله Physical Review Letters توصیف شده، میتواند قویترین نامزد برای شناسایی مستقیم ماده تاریک تا به امروز باشد. با این حال، پژوهشگران تأکید کردهاند که هنوز برای اعلام قطعی کشف ماده تاریک زود است.
دانشمندان معتقدند ماده تاریک وجود دارد، زیرا هیچیک از مواد قابل مشاهده در جهان شناختهشده نمیتوانند برخی اثرات گرانشی را توضیح دهند؛ برای مثال، چرخش غیرمنتظره و بسیار سریع کهکشانها یا اینکه چرا کهکشانها محکمتر از حد انتظار در کنار یکدیگر باقی میمانند. به همین دلیل، ماده تاریک یکی از اجزای اصلی مدل استاندارد کیهانشناسی، یعنی سادهترین چارچوب نظری برای توضیح جهان، محسوب میشود.
اگر ماده تاریک وجود داشته باشد ــ که شواهد غیرمستقیم بهشدت این موضوع را تأیید میکنند ــ ذرات آن ظاهراً نور را جذب، بازتاب یا منتشر نمیکنند. در غیر این صورت، دانشمندان احتمالاً تاکنون موفق به مشاهده این ماده فراوان شده بودند. برای اینکه بفهمیم ماده تاریک دقیقاً از چه چیزی تشکیل شده است، به یک شناسایی مستقیم نیاز داریم؛ کاری که جستوجوی آن به پیدا کردن یک سوزن در انبار کاه تشبیه شده است.
برای محدود کردن دامنه جستوجو، فیزیکدانان چند فرضیه درباره ماهیت ذرات ماده تاریک مطرح کردهاند و یکی از جدیترین گزینهها، ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف یا WIMPها هستند. دانشمندان بر این باورند که این ذرات نظری با گرانش برهمکنش دارند، اما با نور برهمکنش نمیکنند و تنها در موارد بسیار نادر با سایر ذرات تعامل دارند.
آشکارساز LZ بهطور ویژه برای شناسایی WIMPها طراحی شده است. این دستگاه در اصل یک مخزن حاوی ۱۰ تن زنون مایع فوقخالص است که به حسگرهایی مجهز شده تا برخورد احتمالی یک WIMP با اتم زنون را ثبت کند. این آشکارساز در عمق حدود ۱.۶ کیلومتری زمین و در تأسیسات پژوهشی زیرزمینی سنفورد در شهر لید، داکوتای جنوبی، قرار دارد و این عمق آن را از پرتوهای کیهانی و سایر منابع نویز پسزمینه که ممکن است با شناسایی ماده تاریک اشتباه گرفته شوند، محافظت میکند.
در این مطالعه جدید، پژوهشگران LZ دادههای جمعآوریشده طی ۲۲۰ روز، از مارس ۲۰۲۳ تا آوریل ۲۰۲۴، را بررسی کردند. آنها پیشتر همین مجموعه داده را برای یافتن سیگنالهای بسیار ضعیف ناشی از سادهترین انواع برهمکنشهای WIMP بررسی کرده بودند، اما این بار دامنه جستوجو را گستردهتر کردند تا انواع دیگری از برهمکنشهای احتمالی WIMP را نیز شناسایی کنند؛ برهمکنشهایی که میتوانند انرژی بیشتری را در آشکارساز آزاد کنند.
سام اریکسن، نویسنده اصلی این مطالعه و پژوهشگر ارشد دانشگاه بریستول در بریتانیا، گفت: «این مطالعه دقیق در بخشی از این مجموعه داده انجام شد که پیشتر بررسی نشده بود و ما ماهها تلاش بیشتری صرف کردیم تا تمام عوامل احتمالی ایجاد رویدادهای پسزمینه را شناسایی و بررسی کنیم.»
سیگنالی که اریکسن و همکارانش در مقاله خود به آن اشاره کردهاند، در ۱۶ ژوئن ۲۰۲۳ ثبت شده است. اگر این سیگنال حاصل برهمکنش ماده تاریک با زنون باشد، ذره WIMP ایجادکننده آن باید حدود ۲۰۰ برابر سنگینتر از یک پروتون باشد. این برخورد همچنین ظاهراً انرژی بسیار بالایی داشته است. به همین دلیل، یافتههای جدید یک معمای تازه در دل معمای ماده تاریک ایجاد کردهاند.
اگر LZ واقعاً یک رویداد پرانرژی ناشی از برخورد WIMP را شناسایی کرده باشد، طبق نظریههای استاندارد باید پیش از این تعداد زیادی رویداد با انرژی پایینتر نیز ثبت کرده باشد؛ اما چنین چیزی مشاهده نشده است. این مسئله میتواند به این معنا باشد که WIMPها به شکلی متفاوت از انتظار دانشمندان با ماده معمولی برهمکنش میکنند یا اینکه این ذره خاص به دلیلی نامعلوم سرعت بیشتری پیدا کرده است. از سوی دیگر، این احتمال هم وجود دارد که رویداد ثبتشده اصلاً مربوط به WIMP نباشد و در نتیجه برهمکنش یک ذره ناشناخته یا یک فرایند فیزیکی ناشناس باشد.
خوشبختانه، تیم LZ دادههای بسیار زیادی در اختیار دارد که میتواند برای بررسی بیشتر از آنها استفاده کند. این پروژه تاکنون بزرگترین مجموعه داده جهان درباره ماده تاریک را جمعآوری کرده و این مجموعه همچنان در حال گسترش است. اگر بررسیهای آینده رویدادهای بیشتری مشابه سیگنال ثبتشده در ژوئن ۲۰۲۳ پیدا کنند، دو آزمایش رقیب، یعنی PandaX در چین و XENONnT در ایتالیا، میتوانند به تأیید این موضوع کمک کنند که آیا LZ واقعاً موفق به شناسایی WIMPها شده است یا نه.
