جهان در آستانه کشف راز ماده تاریک

دانشمندان در آستانۀ کشف راز ماده تاریک (قدرتمندترین منبع انرژی احتمالی جهان) در اعماق زمین قرار دارند.

به گزارش تک‌ناک، هر روز کاری، ده‌ها نفر از بااستعدادترین فیزیک‌دانان سراسر جهان، بعدِ عبور از پلی که بر روی رودخانۀ یالونگ در کوه‌های جینپینگ در استان سیچوان چین کشیده شده است، ده مایل را در یک تونل عمیق به سمت پایین حرکت می کنند. نزدیک به پایان سفر خود در حدود ۷۹۰۰ فوت زیر زمین، نوری ضعیف را می‌بینند که ساختمانی عظیم سفید با دیوارهای کاشی کاری شده و لوگویی آبی رنگ، بالای آن را روشن می کند. آنها به آزمایشگاه زیرزمینی جینپینگ چین رسیده‌اند.

در اینجا، روز و شب بی معنی می‌شود و خوددانشمندان‌ تنها نشانه‌های حیات‌اند که به شدت به دنبال مادۀ تاریک هستند. شکل نامرئی و مرموز ماده‌ای که به شکل فرضی ۸۵ درصد از جهان ما را تشکیل می‌دهد. دانشمندان فقط به دلیل کشش گرانشی آن می‌دانند که وجود دارد. از زمان افتتاح آنجا در سال ۲۰۱۰، آزمایشگاه زیرزمینی جینپینگ چین (CJUL) تاکنون رکوردهایی را برای بزرگ‌ترین مکان زیر زمینی برای کشف مادۀ تیره به ثبت رسانده است، اگرچه تنها در دسامبر ۲۰۲۳ عملیاتی شد.

جست‌وجو برای چیزی که حتی ممکن است وجود نداشته باشد، باعث شده که مفهوم مادۀ تاریک، صبر و خلاقیت فیزیک‌دانان ذرات و کیهان شناسان را در سراسر جهان آزمایش کند. مادۀ تاریک آشکارترین ناهنجاری جهان ماست، همان‌گونه که یئونگدوک کیم، دکترای فیزیک ذرات، محقق مادۀ تاریک به پاپULAR Mechanics می‌گوید. امّا علی‌رغم گزارش‌های متعدد از کشف مادۀ تاریک که در چند دهۀ گذشته در سراسر جهان به وجود آمده است، اکثر آنها به سیگنال‌های اشتباه ختم شده‌اند.

کیم که بیش از ۳۰ سال است به دنبال مادۀ تاریک می‌گردد، متوجه شده که امکان دارد به طور کامل او و همکارانش پس از سال‌ها کار هیچ نتیجه‌ای دریافت نکنند. در هر صورت، به نظر می‌رسد خود این عدم قطعیت، بنزینی است که مسابقه برای کشف ماهیت مادۀ تاریک را شعله‌ور می‌کند، چرا که همۀ افراد درگیر بر سر یک موضوع اتفاق نظر دارند، اینکه مهم نیست ماده تاریک در نهایت چه چیزی باشد، صرف تأیید وجود آن قوانین جهان را به همان شکل که ما می‌شناسیم بازنویسی خواهد کرد. برای مثال: فراوانی صرف مادۀ تاریک در جهان ما می‌تواند به طور نظری به عنوان منبعی رایگان و نامحدود انرژی مورد استفاده قرار گیرد.

امّا چگونه می توان این کار را با ذرات ناشناخته انجام داد؟ کیم در این باره توضیح می‌دهد: ما یک نظریۀ بسیار خوب و کامل داریم که مدل استاندارد (فیزیک ذرات) است، که تقریباً به هر سؤالی از جمله هر جنبه‌ای از طبیعت، ماده، اتم‌ها و ذرات بنیادی پاسخ می‌دهد و این موضوع برای تمام پدیده‌ها به جزء مادۀ تاریک صدق می‌کند.

دنيل هوپر، دکترای اخترشناس در آزمایشگاه شتاب‌دهندۀ ذرات Fermilab در باتAVIA، ایلینوی و دانشگاه شیکاگو، عنوان می‌کند: تنها چیزی که می‌توانیم با اطمینان بگوییم این است که این ذرات خیلی کم با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند، چرا که اگر چنین می‌کردند، ما آنها را تا به حال دیده بودیم.

او در این زمینه به مجلۀ Popular Mechanics می‌گوید: برای مثال، اگر آنها بار الکتریکی داشته باشند، ما نور آنها را، چه نوری که خودشان تولید می‌کنند و چه نوری که جذب می‌کنند تا به حال تشخیص داده بودیم.

برای کشف حقیقت در مورد این ماده، تحقیقات پیشرفته‌ای در عمق تقریباً یک و نیم مایلی زیر سطح زمین در حال انجام است.

به عنوان عمیق‌ترین مکان کاوشگری جهان، CJPL از هزاران فوت سنگ میان ابزارهای حساس خود و سطح زمین بهره می‌برد. تنها یک در میلیون پرتوهای کیهانی خورشید که به صورت دائم سیارۀ ما را بمباران می‌کنند، می‌توانند به این فضای غارمانند نفوذ کنند و این امکان را برای مطالعۀ مادۀ تاریک فراهم می‌سازند.

جست‌وجوی مادۀ تاریک CJPL که با ژنراتورهای برق آبی کار می‌کند، شامل دو پروژۀ تحقیقاتی: آزمایش‌های زنون اخترفیزیکی ذرات (PandaX) و آزمایش مادۀ تاریک چین (CDEX) است. این دو پروژه به ترتیب دو مخزن بزرگ از زنون و ژرمانيوم هستند که به طور کامل از باقی دنیا جدا شده‌اند. هر دوی PandaX و CDEX از روش‌هایی برای «تشخیص مستقیم» مادۀ تاریک استفاده می‌کنند. به شکل خاص، آنها به دنبال ذرات فرعی سنگین و کُندرو با برهم‌کنش ضعیف یا WIMP هستند که به سختی با مادۀ معمولی برهم‌کنش می‌کنند.

دانشمندان گازهای زنون و ژرمانيوم را به عنوان بهترین گزینه‌ها برای برهم‌کنش با ذرات مادۀ تاریک در نظر می‌گیرند. هیچ یک از این عناصر به راحتی با سایر مواد واکنش نشان نمی‌دهند، بنابراین هرگونه برهم‌کنشی که میان آنها و WIMP رخ دهد، به احتمال زیاد به دلیل وجود WIMP است. آنچه CJPL را منحصر به فرد می‌کند، استفادۀ همزمان از زنون و ژرمانيوم می‌باشد. تأسیسات رقیب، مانند: LUX-ZEPLIN در داکوتای جنوبی یا XENONnT ایتالیا، تنها با آشکارسازهای زنون کار می‌کنند.

دکتر جاناتان الیس، فیزیک‌دان نظری و رئیس کمیتۀ مشاور CJPL به Popular Mechanics می‌گوید: PandaX فرصت واقعی دارد تا در آینده نه تنها به یک رهبر جهانی، بلکه به بزرگ‌ترین رهبر جهان تبدیل شود.

وی تصریح می‌کند: CDEX کمی پیچیده‌تر است، چرا که کار با ژرمانيوم دشوارتر می‌باشد. ژرمانیوم نه تنها گران‌تر از زنون است، بلکه افزایش جرم و حساسیت آن نیز دشوارتر است. با وجود این، آشکارسازهای ژرمانیوم قادر به شناسایی چیزهایی هستند که آشکارسازهای سنتی زنون این امکان را ندارند.

الیس توضیح می‌دهد: زنون برای جست‌وجوی ذرات مادۀ تیره با جرمی ​​ده‌ها برابر جرم پروتون بسیار مناسب است، در حالی که ماده ژرمانیومی که CDEX استفاده می‌کند برای بخش سبک‌تر WIMP مناسب‌تر است.

زنون مایع عنصری به نسبت پایدار است که اجازۀ ورود نویز اضافی را نمی‌دهد، در عین حال به اندازۀ کافی سنگین یا متراکم است که WIMPها بتوانند «ردی بگذارند» و به همین دلیل برای شکار WIMPها ایدئال است. آشکارسازهای زنون توانایی تشخیص اجرام احتمالی مادۀ تاریک را تقریباً دوازده برابر کوچک‌تر از هستۀ میانگین زنون دارند. الیس در این مورد بیان می‌کند: این یعنی PandaX و CDEX از نظر ظرفیت تشخیص آزمایشگاه، یکدیگر را کامل می‌کنند.

دلیل اینکه تأسیسات تشخیص مستقیم تا این حد در زیر زمین قرار دارند، مسدود کردن «نویز» خارجی از سطح است. با وجود نام «تشخیص مستقیم»، خود آشکارسازها با کشف مادۀ تاریک، آژیر نمی‌زنند. در قابل، مادۀ تاریک به صورت دائمی از آشکارساز عبور می‌کند، امّا به ندرت با زنون یا ژرمانیوم داخل مخزن برهم‌کنش دارد.

دکتر خوان کولار، فیزیکدان ذرات در دانشگاه شیکاگو می‌گوید: تصور کنید که یک نشانۀ تیراندازی (دارت‌بور) دارید، اگر بسیار کوچک باشد و شما پرتابه‌ای – یک دارت – به سمت آن نشانه پرتاب کنید، شانس بسیار کمی برای اصابت به مرکز نشانه دارید. اگر بزرگ‌تر باشد، پرتابه، (کاوشگری که فرستاده‌اید) احتمال بیشتری برای برخورد به مرکز نشانه خواهد داشت.

فیزیک‌دانان ناظر بر آشکارساز در واقع سیگنال‌هایی را که مخزن مایع ضبط می‌کند برای کوچک‌ترین نشانه‌های یک اختلال تقریباً نامرئی، ناشی از تصادفی بین آشکارساز و مادۀ تاریک، جست‌وجو می‌کنند. با محافظت کردن آشکارساز از پرتوهای کیهانی قابل تشخیص، هدف این است که بر روی اختلالات ناشناخته عجیب و غریب تمرکز شود.

تشبیهی که دوست دارم استفاده کنم این است که چند صد سال پیش، مردم دربارۀ هوا چه می‌دانستند؟ واضح است که هوا وجود دارد، امّا ما نمی‌دانستیم از چه چیزی ساخته شده است.

دکتر دان لینکلن، دانشمند ارشد Fermilab، به Popular Mechanics می‌گوید: با توجه به حساسیت فوق‌العاده‌ای که این فرآیند نیاز دارد، طبیعی است که جست‌وجوی مادۀ تاریک به تنهایی مرزهای اخترفیزیک را جابه‌جا کند.

به گفتۀ لینکلن، اگرچه تحقیقات مادۀ تاریک ممکن است غیرمنطقی به نظر برسد، امّا بسیاری از «معماهای کیهانی» ما با ورود مادۀ تاریک به معادله، بسیار منطقی‌تر می‌شوند.

فرض کنیم نظریۀ گرانش ما درست باشد، کهکشان‌های جهان قابل مشاهدۀ ما باید با سرعت خاصی بچرخند. در واقع، کهکشان‌ها نه تنها بسیار سریع‌تر از آنچه محاسبات نشان می‌دهد می‌چرخند، بلکه آنقدر سریع در چرخش هستند که باید از هم دور شوند. با وجود این، نظریه‌های موجود فیزیک نمی‌توانند به درستی توضیح دهند که چه چیزی می‌تواند آنها را کنار هم نگه دارد.

لینکلن در این زمینه ادعا می‌کند: راه‌حل احتمالی می‌تواند مادۀ تاریک باشد، امّا توضیح جایگزین این است که ما قوانین حرکت، همچنین قانون گرانش را درک نمی‌کنیم.

لینکلن عنوان می‌کند: فیزیک‌دان‌ها گزینه‌های جایگزین را امتحان کرده‌اند، امّا تاکنون هیچ چیز به معنای واقعی کلمه ستارگان را به هم متصل نکرده است.

تلاش برای روشن کردن رازهای کیهانی جهان ما بیشتر به صورت بستن درهای قدیمی و باز کردن درهای جدید است. ایده‌ای که ثابت شود اشتباه است، فقط یک حواس‌پرتی اضافی را از بین می‌برد، درست همان‌طور که حفر عمیق در زیر زمین برای نصب فناوری تشخیص، یک عامل نویز اضافی را از بین می‌برد.

هوپر دکترای اخترشناسی در این مورد توضیح می‌دهد: خستگی یا نگرانی ناشی از این مسئله، در یک موضوع کلی و تا حدودی تاریخی فیزیک بنیادی نقش دارد، بنابراین افراد زیادی آن بیرون هستند که نمی‌دانم ناامید شده‌اند یا خیر، به این دلیل که مادۀ تیره را کشف نکرده‌ایم.

او تشریح می‌کند: زمانی که الکترون کشف شد، بسیاری آن را بدون هیچ کاربرد عملی در نظر گرفتند. با وجود این اگر هرگز الکترون را کشف یا مطالعه نمی‌کردیم، زندگی ما بدون رایانه، ابررساناها و اکثر لوازم الکترونیکی خانگی بود.

اتان سیگل، اخترفیزیک‌دان و مجری پادکست «شروع با یک انفجار!»، بر این باور است که می‌تواند آینده‌ای را پیش‌بینی کند که از ذرات مادۀ تاریک به عنوان نوعی سوخت موشک استفاده شود.

سیگل توضیح می‌دهد: همۀ ماده‌ها معادل ضدمادۀ خود را دارند و برخورد ماده با ضدماده، «انرژی خالص» کارآمدی ایجاد می‌کند. اگر مادۀ تیره واقعاً بار کمی داشته باشد یا اصلاً بار نداشته باشد، به این معنی است که هر ذره مادۀ تاریک به عنوان ضدمادۀ خود عمل می‌کند. اگر این درست باشد، برخورد دو ذره مادۀ تیره باعث انفجار ماده-ضدماده می‌شود، که می‌تواند منبع ثابتی از انرژی کاملاً کارآمد برای موشک‌ها باشد.

این تنها چیزی نیست که ممکن است ببینیم. چارلی کانروی، اخترفیزیک‌دان در دانشگاه هاروارد به Popular Mechanics می‌گوید: اصلاً تعجب نمی‌کنم اگر ماشین زمان داشتیم و ۱۰۰۰ سال به جلو می‌رفتیم و مادۀ تاریک کشف می‌شد و به طور گسترده در ماشین‌های چمن‌زن و جاروبرقی مورد استفاده قرار می‌گرفت. در هر حال او بیان می‌کند: هرگز نباید خلاقیت انسان‌ها را به‌عنوان یک گونه دست کم گرفت، به خصوص اگر موضوع به بزرگی رازهای کیهانی باشد که قوانین کل جهان ما را تعیین می‌کند.

هوپر دکترای اخترشناس در آزمایشگاه شتاب‌دهندۀ ذرات Fermilab در باتAVIA، ایلینوی و دانشگاه شیکاگو، می‌گوید: قطعاً کارهای زیادی از نظر تئوری باقی مانده است. برای مثال: قبل از اینکه بدانیم مادۀ تاریک می‌تواند سوخت موشک باشد، باید بفهمیم که چگونه مادۀ تاریک – که ذرات با برهم‌کنش بسیار ضعیف در نظر گرفته می‌شود – می‌تواند به همراه موشک حرکت کند.

او تأکید می‌کند: فقط می‌خواهم بگویم که به نظر بسیار بسیار سخت است. اگر از سوخت شیمیایی معمولی برای موشک استفاده کنم، دلیل اینکه می‌توانم این کار را انجام دهم این است که می‌توانم به آن سوخت نیرو وارد کنم، مانند باک یا چیز دیگری، امّا به دلیل اینکه مادۀ تاریک، تیره است، اعمال نیرو به آن کار آسانی نیست.

به نظر کیم، محقق مادۀ تاریک: کار ماشین‌های چمن‌زن با مادۀ تاریک بعید به نظر می‌رسند، چرا که مادۀ تاریک به وفور دارای الکترون نیست. امّا او نیز موافق است که هر چه در نهایت پیدا کنیم، به ترسیم تصویری واضح‌تر از چگونگی تکامل جهان ما بسیار نزدیک‌تر خواهد شد و چه کسی می‌داند با چنین دانشی چه کاری می‌توانیم انجام دهیم؟

هوپر در این باره می‌گوید: بنابراین فکر می‌کنم ما با درک خود از مادۀ تاریک، در موقعیتی مشابه با سال ۱۷۰۰ هستیم، زمانی که از خود می‌پرسیدیم هوا چیست؟ این موضوع فقط موضوع کشف وجود هوا نبود. امروزه هم موضوع فقط کشف وجود مادۀ تاریک نیست، بلکه موضوع این است که بفهمیم از چه چیزی تشکیل شده است.