به گزارش مجله نجم
جست‌وجوی ماده تاریک هیجان‌انگیزتر می‌شود. دانشمندان در حال توسعه فناوری کوانتومی فوق سرد برای جستجوی گریزناپذیرترین و مرموزترین ماده در جهان هستند که در حال حاضر یکی از بزرگترین اسرار علم را تشکیل می دهد.
اگرچه ماده تاریک در جهان ما حدود شش برابر بیشتر از ماده معمولی است، اما دانشمندان نمی دانند که چیست. این حداقل تا حدی به این دلیل است که هیچ آزمایشی که تاکنون توسط بشر ابداع نشده است قادر به تشخیص آن نبوده است.
برای غلبه بر این معضل، دانشمندان چندین دانشگاه در سراسر بریتانیا با همکاری یکدیگر دو تا از حساس ترین آشکارسازهای ماده تاریک ساخته شده تا کنون ساخته شده اند. هر آزمایش برای یک ذره فرضی متفاوت که ممکن است ماده تاریک را تشکیل دهد جستجو می کند. اگرچه این ذرات دارای برخی ویژگی های مشابه هستند، اما دارای برخی خواص کاملاً متفاوت هستند و بنابراین به تکنیک های تشخیص متفاوتی نیاز دارند.
تجهیزات مورد استفاده در این دو آزمایش به قدری حساس هستند که اجزای آن باید تا یک هزارم درجه بالای صفر مطلق خنک شوند، دمایی که از نظر تئوری دست نیافتنی است که در آن تمام حرکات اتمی متوقف می شود. این خنک‌سازی باید برای جلوگیری از تداخل یا «صدا» از جهان که اندازه‌گیری‌ها را خراب می‌کند، انجام شود.
مربوط: «ستارگان جاودانه» ممکن است از ماده تاریک در قلب کهکشان راه شیری تغذیه کنند
سامولی اوتی، عضو تیم از دانشگاه لنکستر، گفت: “ما از تکنیک‌های کوانتومی در دماهای بسیار پایین برای ساختن حساس‌ترین آشکارسازها استفاده می‌کنیم. هدف این است که این ماده مرموز را مستقیماً در آزمایشگاه مشاهده کنیم و یکی از بزرگترین اسرار علم را حل کنیم.” بیانیه.
ماده تاریک چگونه دانشمندان را منزوی کرد؟
ماده تاریک مشکل بزرگی برای دانشمندان ایجاد می کند، زیرا اگرچه بین 80 تا 85 درصد کیهان را تشکیل می دهد، اما عملاً برای ما نامرئی باقی می ماند. این به این دلیل است که ماده تاریک با نور یا ماده «معمولی» برهمکنش نمی‌کند – و اگر هم داشته باشد، این برهمکنش‌ها نادر یا بسیار ضعیف هستند. یا شاید هر دو. اما ما به سادگی نمی دانیم چرا.
اما به دلیل این ویژگی‌ها، دانشمندان می‌دانند که ماده تاریک نمی‌تواند از الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شود که همگی بخشی از خانواده باریون‌های ذرات هستند که ماده روزمره را در چیزهایی مانند ستارگان، سیارات، قمرها، بدن ما تشکیل می‌دهند. بستنی و گربه همسایه و همه چیزهای “عادی” که می توانیم ببینیم.
تنها دلیلی که ما معتقدیم ماده تاریک وجود دارد این است که این ماده مرموز جرم دارد. بنابراین، آنها با جاذبه تعامل دارند. ماده تاریک می تواند از طریق این برهمکنش بر پویایی ماده معمولی و نور تأثیر بگذارد و امکان استنباط وجود آن را فراهم کند.
ستاره شناس ورا روبین وجود ماده تاریک را کشف کرد که وجود آن قبلاً توسط فریتز زویکی فرض شده بود، زیرا او می دید که برخی کهکشان ها به سرعت در حال چرخش هستند که اگر تنها تأثیر گرانشی آنها از ماده باریونی قابل مشاهده باشد، از بین می روند. اما آنچه که دانشمندان واقعاً می‌خواهند نتیجه‌گیری نیست، بلکه کشف مثبت ذرات ماده تاریک است.
یکی از ذرات فرضی که قرار است مظنون اصلی تشکیل ماده تاریک باشد، اکسیون فوق العاده سبک است. دانشمندان همچنین فرض می کنند که ماده تاریک ممکن است از ذرات جدید و پرجرم تر (هنوز ناشناخته) تشکیل شده باشد که برهمکنش هایی آنقدر ضعیف هستند که هنوز آنها را شناسایی نکرده ایم.
هم اکسیون ها و هم این ذرات ناشناخته برهمکنش های بسیار ضعیفی با ماده از خود نشان می دهند که از نظر تئوری می توان با استفاده از تجهیزات به اندازه کافی حساس تشخیص داد. اما داشتن دو مظنون اصلی به معنای دو تحقیق و دو آزمایش بود. این امر ضروری است زیرا جستجوهای فعلی برای ماده تاریک معمولاً بر روی جرم ذرات بین 5 تا 1000 برابر جرم اتم هیدروژن تمرکز می کنند. این بدان معنی است که اگر ذرات ماده تاریک سبک تر بودند، ممکن است شناسایی نشوند.
آزمایش تکنیک‌های ابرسیال پیشرفته کوانتومی برای ماده تاریک و کیهان شناسی (QUEST-DMC) برای تشخیص برخورد ماده معمولی با ذرات ماده تاریک به شکل ذرات جدید، ناشناخته و ضعیف با برهمکنش ضعیف طراحی شده است که جرم آنها بین 1٪ تا چند برابر بیشتر است. جرم یک اتم هیدروژن QUEST-DMC از هلیوم-3 ابر سیال، ایزوتوپ سبک و پایدار هلیوم با هسته‌ای متشکل از دو پروتون و یک نوترون استفاده می‌کند که تا حالت کوانتومی میکروسکوپی سرد می‌شود تا به حساسیت رکوردی در تشخیص برهم‌کنش‌های بسیار ضعیف دست یابد.
اما QUEST-DMC قادر نخواهد بود ذرات محوری بسیار سبک را که قرار است میلیاردها بار سبکتر از اتم هیدروژن باشند، تشخیص دهد. این همچنین به این معنی است که تشخیص چنین ذرات محوری از طریق تعامل آنها با ذرات ماده معمولی امکان پذیر نخواهد بود.
اما آنچه این ذرات فاقد جرم هستند، ظاهراً تعداد آنها را جبران می کنند، زیرا این ذرات فرضی قرار است بسیار فراوان باشند. این به این معنی است که بهتر است این ذرات مشکوک ماده تاریک را با استفاده از یک علامت متفاوت جستجو کنید: سیگنال الکتریکی کوچکی که از فروپاشی ذرات در یک میدان مغناطیسی تولید می‌شود.
اگر چنین سیگنالی وجود داشته باشد، تشخیص آن مستلزم کشش آشکارسازها به حداکثر سطح حساسیت مجاز توسط قوانین فیزیک کوانتومی است. این تیم امیدوار است که حسگرهای کوانتومی آنها برای بخش پنهان باشد بلندگوی کوانتومی (QSHS) قادر به انجام این کار خواهد بود.
اگر در بریتانیا هستید، عموم مردم می‌توانند آزمایش‌های QSHS و QUEST-DMC را در نمایشگاه علوم تابستانی دانشگاه لنکستر تماشا کنند. بازدیدکنندگان همچنین می‌توانند ببینند که چگونه دانشمندان با استفاده از یک ژیروسکوپ در جعبه‌ای که به دلیل حرکت زاویه‌ای نامرئی به طرز عجیبی حرکت می‌کند، وجود ماده تاریک در کهکشان‌ها را استنباط می‌کنند.
علاوه بر این، این نمایشگاه دارای یک یخچال رقیق‌کننده نورانی است که دمای بسیار پایین مورد نیاز فناوری کوانتومی را نشان می‌دهد، در حالی که مدلی از آشکارساز برخورد ذرات ماده تاریک نشان می‌دهد که اگر ماده تاریک مانند ماده روزمره با ماده و نور تعامل داشته باشد، جهان ما چگونه رفتار می‌کند.
مقالات این تیم در مورد جزئیات آزمایش‌های QSHS و QUEST-DMC در The European Physical Journal C و در مخزن arXiv منتشر شده‌اند.
