دانشمندان می‌گویند ماده تاریک را در یک جرقه کوچک مشاهده کردند

دانشمندان تاکنون فقط اثر غیرمستقیم ماده تاریک بر نور ناشی از خوشه‌های کهکشانی دوردست را مشاهده کرده‌اند و هیچ‌گاه خود ذره ماده تاریک را به‌طور مستقیم ندیده‌اند.

حالا یک نتیجه اولیه از آزمایش LUX-ZEPLIN یا LZ در مرکز تحقیقات زیرزمینی سنفورد در داکوتای جنوبی، نشانه‌ای را ظاهر کرده که ممکن است مربوط به ذره‌ای با برهم‌کنش ضعیف و جرم زیاد، موسوم به WIMP، باشد. این رویداد فقط یک بار مشاهده شده و از نظر آماری برای اعلام کشف قطعی کافی نیست، اما ویژگی‌های آن با چیزی که پژوهشگران از یک ذره ماده تاریک انتظار دارند، مطابقت دارد.

تقریباً ۱٬۵۲۴ متر زیر سطح زمین در مرکز تحقیقات زیرزمینی سنفورد، آزمایش LUX-ZEPLIN قرار دارد؛ یک پروژه پیشرفته برای شناسایی مستقیم یکی از مهم‌ترین نامزدهای ماده تاریک، یعنی ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف یا WIMP. این سامانه از آشکارسازهایی فوق‌العاده حساس بهره می‌گیرد تا برخورد احتمالی یک WIMP با هسته‌های اتمی را در مخزنی حاوی حدود ۱۰ تن زنون مایع ثبت کند.

البته چنین برخوردی نباید اتفاقی معمول باشد. همان‌طور که از نام WIMP مشخص است، این ذرات فقط از طریق گرانش یا نیروی هسته‌ای ضعیف با ماده برهم‌کنش دارند. دانشمندان طی سال‌های گذشته به شکل غیرمستقیم شواهدی از ماده تاریک به دست آورده‌اند؛ برای نمونه، با بررسی عدسی گرانشی که مسیر نور رسیده از خوشه‌های کهکشانی بسیار دور را تغییر می‌دهد. با این حال، مشاهده مستقیم یک ذره ماده تاریک تاکنون امکان‌پذیر نبوده است.

اما شاید این وضعیت در حال تغییر باشد. بر اساس نتیجه‌ای تازه که در کنفرانس اخترفیزیک ذرات TeV یا TeVPA در شهر تندو ژاپن ارائه شد، تیم LZ رویدادی را پیدا کرده که در سال ۲۰۲۳ رخ داده است. ریک گیتسکل، سخنگوی LZ، این مشاهده را بسیار هیجان‌انگیز و شگفت‌انگیز توصیف کرد.

آشکارساز LZ هنگام وقوع برخورد، دو علامت متفاوت را ثبت می‌کند. زمانی که هسته زنون بر اثر ضربه پس‌زده می‌شود، یک فلاش نوری ایجاد می‌کند که حسگرهای بالای مخزن زنون مایع قادر به ثبت آن هستند. همین مجموعه حسگرها همچنین الکترون‌هایی را که به قسمت بالایی مخزن می‌رسند شناسایی می‌کند و در آنجا نیز فلاش نوری دیگری شکل می‌گیرد.

رویدادی مطابق پیش‌بینی‌های ماده تاریک

پژوهشگران پیش‌تر محاسبه کرده‌اند که نسخه‌های فرضی مختلف ماده تاریک چگونه باید با هسته‌های زنون برخورد کنند و در جریان این فرایند چه نوع فلاش‌های نوری و آزاد شدن الکترون‌هایی انتظار می‌رود. تیم LZ پس از بررسی داده‌های مربوط به ۲۲۰ روز، رویدادی را شناسایی کرد که با این پیش‌بینی‌های ریاضی همخوانی دارد. اهمیت آماری این مشاهده ۲٫۶ سیگما محاسبه شده، در حالی که برای اعلام یک شناسایی مستقیم معمولاً سطح ۵ سیگما مورد نیاز است.

گیتسکل گفت

دیدن این رویداد در داده‌ها برای ما بسیار جالب است، زیرا در محدوده‌ای رخ داده که انتظار داریم نشانه‌های ماده تاریک در آن ظاهر شوند و پس‌زمینه‌های رقیب نیز بسیار ضعیف هستند. با وجود تنها یک رویداد، نمی‌خواهیم عجولانه نتیجه‌گیری کنیم. ما ادعا نمی‌کنیم که ماده تاریک را دیده‌ایم، اما چیزی جالب پیدا کرده‌ایم که می‌خواهیم آن را با جامعه علمی در میان بگذاریم تا نظر پژوهشگران دیگر را بدانیم.

این مشاهده در شرایطی رخ داده که چند نکته مهم درباره آن وجود دارد. نخست اینکه این رویداد در ماه ژوئن اتفاق افتاده؛ زمانی که زمین در نیمکره شمالی با بیشترین سرعت در مسیر جریان ماده تاریک کهکشانی حرکت می‌کند. دوم اینکه محاسبات تیم نشان می‌دهد اگر واقعاً یک WIMP عامل این رویداد بوده باشد، جرم آن احتمالاً دست‌کم ۲۰۰ گیگاالکترون‌ولت بر سرعت نور به توان دو، یعنی حدود ۲۰۰ برابر جرم یک پروتون، بوده است.

نکته سوم این است که رویداد مشاهده‌شده ساده‌ترین نوع برهم‌کنشی نبود که اخترفیزیک‌دانان انتظار داشتند. طبق مدل ساده‌تر، پیش از رویداد اصلی باید مجموعه‌ای از پس‌زنی‌های زنجیره‌ای با انرژی کمتر رخ می‌داد. با این حال، احتمال دارد انواع دیگری از برهم‌کنش‌ها، از جمله پراکندگی ناکشسان و پراکندگی کشسان وابسته به تکانه، بتوانند این نتیجه را توضیح دهند.

خوش‌بینی محتاطانه دانشمندان

این یافته بدون تردید جالب توجه است و احتمالاً طی ماه‌ها و سال‌های آینده با دقت فراوان بررسی خواهد شد، اما در شرایط فعلی تنها یک برهم‌کنش مشاهده شده. به همین دلیل، پژوهشگران فعلاً رویکردی محتاطانه همراه با اندکی خوش‌بینی در پیش گرفته‌اند.

آرون مانالایسی، عضو هیئت مؤسسه‌ای LZ و فیزیک‌دان آزمایشگاه برکلی، گفت

این نخستین نمونه در میان آزمایش‌هایی است که تاکنون روی آنها کار کرده‌ام که یک رویداد غیرمعمول به نظر می‌رسد و از هر نظر معتبر است. هنوز ذهنمان درگیر این مسئله است که آیا احتمال دارد یک سازوکار نادر پس‌زمینه‌ای وجود داشته باشد که از آن غافل شده باشیم؛ اما فکر کردن به اینکه شاید این نخستین نشانه از مشاهده ماده تاریک باشد، واقعاً هیجان‌انگیز است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.