پژوهشگران در یک آزمایش زیرزمینی در داکوتای جنوبی آمریکا رویدادی بسیار نادر را ثبت کردهاند که ممکن است با برهمکنش یک ذره ماده تاریک با ماده معمولی مرتبط باشد. با این حال، دانشمندان تأکید میکنند که یک رویداد بهتنهایی برای اعلام کشف ماده تاریک کافی نیست و احتمالهای دیگر نیز باید بررسی شود.
این رویداد در آزمایش بزرگ «لوکس-زپلین» یا LZ در مرکز تحقیقات زیرزمینی سنفورد در ایالت داکوتای جنوبی ثبت شده است؛ تأسیساتی که در عمق حدود ۱.۶ کیلومتری زمین و داخل یک معدن طلای متروکه قرار دارد.
هدف اصلی این آزمایش، جستوجوی ماده تاریک و بهویژه گروهی از ذرات فرضی موسوم به ویمپها (WIMPs) است. دانشمندان سالهاست تلاش میکنند برهمکنش احتمالی این ذرات با ماده معمولی را بهطور مستقیم ثبت کنند، اما به دلیل نادر بودن چنین برخوردهایی، این کار یکی از دشوارترین آزمایشهای فیزیک ذرات محسوب میشود.
ماده تاریک چیست؟
مادهای که انسانها بهطور مستقیم مشاهده میکنند، تنها بخش کوچکی از ماده موجود در جهان را تشکیل میدهد. دانشمندان بر اساس بررسی حرکت کهکشانها و ساختارهای بزرگ کیهانی معتقدند بخش بسیار بزرگتری از ماده جهان از مادهای تشکیل شده که نور را جذب یا منتشر نمیکند و به همین دلیل مستقیماً دیده نمیشود.
این ماده فرضی «ماده تاریک» نام گرفته است.
اگرچه ماده تاریک با تلسکوپ قابل مشاهده نیست، آثار گرانشی آن در مقیاس کیهانی قابل اندازهگیری است. برای نمونه، سرعت حرکت ستارگان در کهکشانها و رفتار خوشههای کهکشانی نشان میدهد جرم موجود در این ساختارها بسیار بیشتر از چیزی است که از ماده قابل مشاهده انتظار میرود.
با وجود شواهد غیرمستقیم فراوان، دانشمندان هنوز موفق نشدهاند ماهیت ماده تاریک یا ذره تشکیلدهنده آن را بهطور مستقیم شناسایی کنند.
برخورد احتمالی با اتمهای زنون
آشکارساز LZ حدود ۱۰ تن زنون مایع را در خود جای داده است. پژوهشگران انتظار دارند اگر یک ذره ماده تاریک با هسته یکی از اتمهای زنون برخورد کند، مقدار بسیار کوچکی انرژی آزاد شود.
این انرژی میتواند باعث ایجاد یک درخشش بسیار ضعیف شود. آشکارساز با ثبت این نور و سایر نشانههای ناشی از برخورد، میتواند اطلاعاتی درباره نوع رویداد به دست آورد.
پژوهشگران در این مورد خاص، رویدادی را مشاهده کردهاند که با الگویی که برای برخورد یک ذره ویمپ با هسته اتم زنون انتظار میرود، سازگاری دارد.
در صورت وقوع چنین برخوردی، هسته زنون پس از دریافت انرژی به حرکت درمیآید؛ پدیدهای که در فیزیک به آن پسزنی هستهای گفته میشود. همزمان، انرژی آزادشده میتواند یک سیگنال نوری بسیار ضعیف ایجاد کند.
یک سیگنال، اما هنوز یک کشف نیست
با وجود هیجان ایجادشده در میان پژوهشگران، تیم تحقیقاتی تأکید کرده است که هنوز نمیتوان با اطمینان گفت این رویداد ناشی از ماده تاریک بوده است.
دلیل اصلی این است که تنها یک رویداد مشاهده شده و برای اعلام یک کشف علمی، شواهد آماری بسیار قویتری لازم است.
سم اریکسن، فیزیکدان ذرات دانشگاه بریستول و نویسنده اصلی پژوهش، تأکید کرده است که ثبت یک رویداد بهتنهایی به معنای اثبات وجود ماده تاریک در این آزمایش نیست.
پژوهشگران اکنون در حال بررسی احتمالهای دیگری هستند که بتوانند چنین سیگنالی را توضیح دهند. در آزمایشهایی با حساسیت بسیار بالا، حتی رویدادهای بسیار نادر و پسزمینههای ناشناخته میتوانند سیگنالهایی ایجاد کنند که در ابتدا شبیه برخورد مورد انتظار ماده تاریک به نظر برسند.
چرا این رویداد اهمیت دارد؟
اگر در بررسیهای بعدی مشخص شود که این سیگنال واقعاً ناشی از برخورد یک ذره ماده تاریک بوده است، نتیجه میتواند یکی از مهمترین دستاوردهای فیزیک ذرات در دهههای اخیر باشد.
شناسایی مستقیم ماده تاریک میتواند به یکی از بزرگترین پرسشهای حلنشده علم پاسخ دهد: بخش عمدهای از ماده موجود در جهان دقیقاً از چه چیزی ساخته شده است؟
اما برای رسیدن به چنین نتیجهای، دانشمندان باید رویدادهای بیشتری ثبت کنند و نشان دهند که الگوی مشاهدهشده نمیتواند با منابع شناختهشده یا پدیدههای دیگری توضیح داده شود.
آزمایش LZ نیز همچنان ادامه دارد و پژوهشگران امیدوارند دادههای بیشتری در اختیار داشته باشند تا بتوانند احتمالهای مختلف را با دقت بالاتری آزمایش کنند.
در حال حاضر، بنابراین نمیتوان گفت ماده تاریک کشف شده است؛ اما این رویداد میتواند سرنخی مهم برای ادامه یکی از بزرگترین جستوجوهای علمی بشر باشد.
