فهرست مطالب
دانشمندان با استفاده از آشکارسازهای فوق‌حساس در تلاش هستند ذرات WIMP را شناسایی کنند و به درک ماده تاریک و قوانین بنیادین کیهان نزدیک‌تر شوند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، دانشمندان در درک اسرار جهان پیشرفت‌های قابل توجهی داشته‌اند، با وجود این، بخش عمده‌ای از آن همچنان ناشناخته باقی مانده است. حدود ۹۵ درصد از کیهان شامل ماده تاریک و انرژی تاریک است و تنها ۵ درصد از آن را ماده شناخته‌شده تشکیل می‌دهد که می‌توانیم مشاهده و لمس کنیم. دکتر روپاک ماهاپاترا، فیزیکدان ذرات تجربی در دانشگاه Texas A&M، با طراحی و ساخت آشکارسازهای فوق‌حساس نیمه‌هادی مبتنی بر حسگرهای کوانتومی فوق‌سرد در تلاش است این بخش نامرئی از جهان را کاوش کند. این ابزارها در آزمایش‌های بین‌المللی به کار گرفته می‌شوند و برای بررسی یکی از عمیق‌ترین معماهای فیزیک مدرن طراحی شده‌اند.
ماهاپاترا برای شرح این چالش، از استعاره‌ای ملموس استفاده می‌کند: «این مثل توصیف یک فیل با لمس تنها دم آن است. ما چیزی عظیم و پیچیده را حس می‌کنیم، اما تنها بخش بسیار کوچکی از آن را درک می‌کنیم.» ماهاپاترا و همکاران او نتایج تحقیقات خود را در مجله معتبر Applied Physics Letters منتشر کرده‌اند.
حتما بخوانید: بازخوانی داده‌های قدیمی تلسکوپ‌های رادیویی و کشف رازهای پنهان‌مانده
درک ماده تاریک
ماده تاریک و انرژی تاریک به دلیل ناشناخته بودن ترکیب آنها نام‌گذاری شده‌اند. ماده تاریک بیشترین سهم جرم را در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی تشکیل می‌دهد و نقش کلیدی در شکل‌دهی ساختار آنها در مقیاس‌های عظیم ایفا می‌کند. انرژی تاریک پدیده‌ای است که مسئول شتاب‌دهی انبساط جهان است؛ به عبارت دیگر، ماده تاریک سازنده و نگهدارنده ساختارهای کیهانی است و انرژی تاریک نیرویی است که آنها را از یکدیگر دور می‌کند.
بیشتر بخوانید: کشف جرم فضایی ناشناخته که سیگنال‌های قدرتمند را در سراسر کهکشان ارسال می کند
هرچند، این دو بخش غالب جهان هیچ نوری ساطع، جذب یا منعکس نمی‌کنند و مشاهده مستقیم آنها به شدت دشوار است. پژوهشگران تاثیر آنها را از طریق گرانش بررسی می‌کنند، چرا که این نیرو بر شکل‌گیری و حرکت کهکشان‌ها اثر می‌گذارد. انرژی تاریک حدود ۶۸ درصد و ماده تاریک تقریبا ۲۷ درصد از انرژی کل جهان را تشکیل می‌دهند. ماهاپاترا عنوان کرد: «چالش این است که ماده تاریک تعامل بسیار ضعیفی با ماده معمولی دارد، به همین دلیل به آشکارسازهایی نیاز داریم تا رویدادهایی را ببینند که ممکن است یک بار در سال یا حتی یک بار در دهه رخ دهند.»
فناوری آشکارسازهای فوق‌حساس
گروه او در جست‌وجوی جهانی ماده تاریک با استفاده از آشکارساز TESSERACT مشارکت داشته است. او تاکید کرد: «این پروژه جدید است؛ ما در حال یافتن روش‌هایی برای تقویت سیگنال‌هایی هستیم که قبلا در نویز پنهان بودند.» دانشگاه Texas A&M یکی از معدود موسساتی است که در آزمایش‌های TESSERACT حضور فعال دارد. کارهای جاری دکتر روپاک ماهاپاترا بر پایه دهه‌ها تجربه در پیشبرد روش‌های آشکارسازی ذرات استوار است. او در ۲۵ سال گذشته، در پروژه SuperCDMS مشارکت داشته، که یکی از حساس‌ترین جست‌وجوهای ماده تاریک جهان را انجام داده است.
ماهاپاترا و همکاران او در مقاله‌ای مهم در سال ۲۰۱۴ در Physical Review Letters، تکنیک جدید آشکارسازی یونیزاسیون کالوریمتریک با کمک ولتاژ را معرفی کردند، که امکان بررسی ذرات کم‌جرم WIMP، یکی از اصلی‌ترین نامزدهای ماده تاریک را فراهم کرد و دامنه ذرات قابل شناسایی را در آزمایش‌ها به طور چشمگیری گسترش داد.
برای مطالعه بیشتر: حقایق کهکشان راه شیری؛ سفری از دل غبار ستارگان تا افق رویداد
همچنین آنها در سال ۲۰۲۲، مطالعه‌ای منتشر کردند که چند رویکرد برای یافتن WIMP، شامل آشکارسازی مستقیم، غیرمستقیم و جست‌وجو در شتاب‌دهنده‌ها را بررسی کرد بودند و اهمیت ترکیب روش‌ها را برای حل معمای ماده تاریک برجسته کردند. ماهاپاترا تاکید کرد: «هیچ آزمایش واحدی، پاسخ همه سوالات را نمی‌دهد. ما نیازمند هم‌افزایی میان روش‌های مختلف هستیم تا تصویر کامل ماده تاریک را درک کنیم.» درک ماهیت ماده تاریک فراتر از کنجکاوی علمی است و امکان دارد کلید کشف قوانین بنیادی حاکم بر جهان باشد. وی بیان کرد: «اگر بتوانیم ماده تاریک را آشکار کنیم، فصل جدیدی در فیزیک گشوده خواهد شد. این پژوهش نیازمند فناوری‌های فوق‌حساس است و امکان دارد باعث اختراعاتی شود که امروز حتی تصور آنها را نمی‌کنیم.»
خبر پیشنهادی: شگفت‌انگیزترین تصاویر فضایی سال ۲۰۲۵
WIMPها (ذرات سنگین با تعامل ضعیف) از مهم‌ترین نامزدهای نظری ماده تاریک محسوب می‌شوند. این ذرات فرضی تنها از طریق گرانش و نیروی هسته‌ای ضعیف با ماده معمولی تعامل دارند، که دلیل دشواری آشکارسازی آنها است. اگر WIMPها موجود باشند، می‌توانند جرم از دست رفته کیهان را توضیح دهند. آزمایش‌هایی مانند SuperCDMS و TESSERACT با استفاده از آشکارسازهای فوق‌حساس این ذرات را تا نزدیکی صفر مطلق سرد می‌کنند و تعاملات نادر WIMP را با ماده معمولی را ثبت می‌نمایند. چالش اصلی این است که یک WIMP ممکن است بدون هیچ سیگنال قابل شناسایی از زمین عبور کند و امکان دارد شناسایی حتی یک رویداد، سال‌ها طول بکشد.
