جهان پنهان

جهان پنهان (The Hidden World)

ماده تاریک می‌تواند یک بخش تاریک کامل از جهان باشد، با ذرات و نیروهای خود—و پژوهشگران در حال طراحی آزمایش‌هایی برای یافتن آن هستند.
نوشته‌ی کاترین زورک | تصویرسازی: ماچییف فرولوف

خلاصه

ماده تاریک، ماده‌ای نامرئی که کهکشان‌ها و ساختارهای بزرگ جهان را شکل می‌دهد، هنوز اسرارآمیز باقی مانده است. پژوهش‌های جدید نشان می‌دهد که ممکن است این ماده تنها یک ذره منفرد نباشد، بلکه یک «بخش تاریک» کامل با ذرات و نیروهای مستقل خود باشد. در این مقاله، کاترین زورک به بررسی نظریه‌ها و آزمایش‌های نوینی می‌پردازد که هدفشان کشف این جهان پنهان است و توضیح می‌دهد که چگونه فیزیک ماده چگال و فیزیک اتمی می‌توانند در این مسیر به ما کمک کنند.

آیا تاکنون کنار دریا ایستاده‌اید و از وسعت آن شگفت‌زده شده‌اید، از این‌که چگونه می‌تواند با سرعتی شگفت‌آور فرا برسد و شما را فرو ببرد؟ شواهد نشان می‌دهند که ما در دریایی کیهانی از ماده تاریک شناور هستیم، ماده‌ای اسرارآمیز که کهکشان‌ها و ساختارهای بزرگ جهان را شکل می‌دهد اما برای فوتون‌ها—حاملان نیروی الکترومغناطیس—شفاف است. خانه‌ی کهکشانی ما، راه شیری، در ماده تاریک غوطه‌ور است، اما این جسم پنهان ما را نمی‌بلعد، زیرا نیروهایش نمی‌توانند با ماده‌ی معمولی که ما از آن ساخته شده‌ایم تماس پیدا کنند.

تمام اطلاعات ما درباره ماده تاریک از اندازه‌گیری نیروی گرانشی آن به دست می‌آید، اما گرانش ضعیف‌ترین نیروی طبیعت است—چنان ضعیف که نیروهای الکترومغناطیسی که اتم‌ها را برای ساختن صندلی‌ای که روی آن می‌نشینیم کنار هم نگه می‌دارند، کافی است تا نیروی گرانشی کل زمین را خنثی کند. درست همان‌طور که برای درک پروتون‌ها، نوترون‌ها، الکترون‌ها و تمام ذرات شناخته‌شده که مجموعاً مدل استاندارد فیزیک ذرات نامیده می‌شوند، به نیروهای الکترومغناطیس نیاز داریم، برای کشف اسرار ماده تاریک نیز بیش از گرانش نیاز است. به همین دلیل، سه دهه گذشته جستجو برای ماده تاریک عمدتاً با نتایج منفی همراه بوده است. در طول این مدت، پژوهشگران به دنبال یک ذره خاص برای توضیح ماده تاریک بوده‌اند. اما ممکن است ماده تاریک تنها یک ذره خاص نباشد—بلکه یک بخش پنهان کامل از ذرات و نیروها باشد. در این بخش تاریک، ذرات از طریق نیروها و دینامیک مستقل خود با یکدیگر تعامل دارند و جهان پنهانی از کیهان‌شناسی ایجاد می‌کنند که موازی با جهان ما عمل می‌کند.

ممکن است اتم‌های تاریک وجود داشته باشند—متشکل از پروتون‌های تاریک، نوترون‌های تاریک و الکترون‌های تاریک—که توسط نسخه‌ای تاریک از نیروی الکترومغناطیس به هم متصل شده‌اند. حاملان این نیرو، فوتون‌های تاریک، ممکن است (بر خلاف فوتون‌های ما) جرم داشته باشند، که اجازه می‌دهد هسته‌های اتمی تاریک عظیم—که «نوگت‌ها» نامیده می‌شوند—تشکیل شوند. دینامیک کاملاً متفاوت ماده تاریک در این بخش تاریک، تأثیرات متفاوتی بر تکامل ماده معمولی در طول زمان خواهد داشت. تعاملات نوگت‌ها در کهکشان‌ها می‌تواند به شکل‌گیری سیاهچاله‌های فوق‌سنگین در مراکز کهکشان‌ها کمک کند و باعث رشد آن‌ها بیش از حد معمول شود. با توجه به این‌که نظریه‌های ساده‌تر ماده تاریک نتوانسته‌اند تأیید تجربی پیدا کنند، مفهوم بخش تاریک توجه زیادی را جلب کرده است. همکاران من و من نیز برنامه‌های نوآورانه‌ای برای آزمایش‌هایی توسعه داده‌ایم که می‌توانند به دنبال این نوع ماده تاریک بگردند. این آزمایش‌ها از تکنیک‌های فیزیک ماده چگال برای کشف بخشی از کیهان استفاده می‌کنند که تاکنون جستجویی برای آن انجام نشده است.

وقتی در سال ۲۰۰۵ وارد جستجوی ماده تاریک شدم، فیزیکدانان روی یافتن «نجواهای» ماده تاریک از طریق نیروی ضعیف تمرکز داشتند. با وجود نامش، نیروی ضعیف بسیار قوی‌تر از گرانش است و دانشمندان حدس می‌زدند که ماده تاریک ممکن است از طریق این نیرو با جهان ما ارتباط برقرار کند. آن‌ها آزمایش‌های بسیار حساس بسیاری ساختند، در زیرزمین و در محیطی آرام، تا سعی کنند این نجواها را بشنوند.

این زمان هیجان‌انگیز بود، زیرا اخترفیزیکدانان نیز داده‌های غیرقابل توضیحی از مرکز راه شیری مشاهده می‌کردند که ممکن بود نشانه‌ای از تولید فوتون توسط ماده تاریک از طریق نوعی تعامل با نیروی ضعیف باشد. من این ایده‌ها را جذاب یافتم، اما قانع نشده بودم که سیگنال راه شیری از ماده تاریک آمده باشد. به نظر می‌رسید تمرکز بر نظریه‌های مرتبط با نیروی ضعیف برای جستجوی ماده تاریک زودهنگام باشد. علاوه بر این، بسیاری از فرآیندهای فیزیک معمولی، فوتون‌های مایکروویو مشابهی تولید می‌کنند که از مرکز کهکشان ما ساطع می‌شدند.

در اولین کنفرانس ماده تاریک که پس از فارغ‌التحصیلی شرکت کردم، با دان هوپر از دانشگاه ویسکانسین–مدیسن، حامی اصلی ایده «مه ماده تاریک»، شرط‌بندی کردم. هوپر فکر می‌کرد که می‌توانیم تأیید کنیم که این مشاهدات در عرض پنج سال توسط ماده تاریک ایجاد شده‌اند. من موضع شکاکانه داشتم. شرط این بود که هر کسی بازنده شد، باید برای یک سال در تمام سخنرانی‌های علمی خود بگوید که دیگری درست می‌گوید. خوشبختانه اگر من می‌باختم، همچنان می‌توانستم از کشف ماده تاریک لذت ببرم. این شرط برای ۱۳ سال آینده حرفه علمی من همراهم بود.

گاهی اوقات، فرضیات ما ما را محدود می‌کنند و مانع یافتن راه‌حل‌ها می‌شوند. اولین ایده‌ها درباره ماهیت ماده تاریک روی حل مشکلات نظری مدل استاندارد تمرکز داشتند، مدلی که نه تنها ذرات شناخته‌شده بلکه نیروهای کوانتومی (الکترومغناطیس، نیروی ضعیف و نیروی قوی) را توصیف می‌کند. دو معما در این مدل وجود دارد: چرا نیروی ضعیف بسیار قوی‌تر از گرانش است (مشکل سلسله‌مراتب) و چرا نیروی قوی—نیرویی که هسته‌های اتمی را نگه می‌دارد—تفاوت بین ذرات آینه‌ای و پادذرات را نمی‌بیند (مشکل تقارن بار–پاریتی قوی، یا مشکل CP قوی). فیزیکدانان ذرات حدس زدند که افزودن ذرات جدید به مدل استاندارد می‌تواند به درک رفتار ذرات شناخته‌شده کمک کند. این ذرات جدید همچنین ممکن است به اندازه کافی وجود داشته باشند تا ماده تاریک را توضیح دهند.

دو دسته از ذرات به عنوان کاندیداهای محبوب مطرح شدند. یک گروه، WIMPها (ذرات سنگین با تعامل ضعیف) که در حل مشکل سلسله‌مراتب نقش دارند. گروه دیگری، آکسیون‌ها، راه‌حلی برای مشکل CP قوی ارائه می‌دهند. من معتقد بودم باید فرض کنیم ماده تاریک نیز مشکلات مدل استاندارد را حل نمی‌کند. ذرات فرضی من از طریق هیچ نیروی مدل استانداردی تعامل نداشتند—نیروها و دینامیک مستقل خود را داشتند—بنابراین نمی‌توانستند اسرار آن مدل را حل کنند. همچنین جرم آن‌ها بسیار کمتر از WIMPها بود و در یک «دره پنهان» از مقیاس انرژی و جرم ذرات قرار داشتند.

این ایده که در حدود سال ۲۰۰۶ ارائه کردم، برخلاف روند فیزیک پرانرژی بود که روی ساخت آزمایش‌های عظیم مانند برخورددهنده هادرونی بزرگ CERN در ژنو برای تولید ذرات فزاینده جرم تمرکز داشت. در مقابل، ذرات دره پنهان در قلمرو انرژی بسیار پایین‌تر قرار دارند و ممکن است به سادگی به دلیل تعامل ضعیف با ذرات معمولی در آزمایش‌ها مشاهده نشده باشند. بدون فرضیه این‌که ماده تاریک باید مشکل سلسله‌مراتب یا CP قوی را حل کند، دامنه وسیعی از مدل‌های جدید از نظر نظری امکان‌پذیر و با مشاهدات جهان ما سازگار شد.

من تمرکز خود را روی ایده این گذاشتم که دره پنهان میزبان طبیعی بخش تاریک ماده باشد. دینامیک متفاوت ماده تاریک در این بخش نسبت به WIMPها، تأثیرات متفاوتی بر تکامل ماده معمولی در طول زمان خواهد داشت. همان‌طور که همکارانم و من در دهه‌های بعد پیامدهای ممکن بخش تاریک را بررسی کردیم، دامنه پیامدهای قابل مشاهده در جهان ما شکوفا شد. اکنون این حوزه کاملاً متفاوت به نظر می‌رسد.

نظریه‌های بخش تاریک با وقوع انحرافات تجربی خوش‌شانسی نیز پیش رفتند.

انحرافات خوش‌شانس در سال ۲۰۰۸ از آزمایش‌هایی آمد که به دنبال WIMP بودند. تا آن زمان، آزمایشگران دو دهه صرف ساخت آزمایش‌های زمینی برای جستجوی ماده تاریک کرده بودند. در سال ۲۰۰۸، سه آزمایش از این‌ها افزایش مرموز و غیرقابل توضیحی در «رویدادها» در انرژی‌های پایین مشاهده کردند. در اینجا، «رویداد» به معنای برخورد احتمالی یک ذره ماده تاریک با یک هسته اتمی در آشکارساز و انتقال انرژی است. این آزمایش‌ها رویدادهایی ثبت کردند که ممکن است توسط ذرات ماده تاریک با جرمی چند برابر نوترون ایجاد شده باشند.

این اضافه‌شدن‌ها مرا به هیجان آورد، زیرا با نظریه ماده تاریک دره پنهان که سال قبل پیشنهاد داده بودم، همخوانی داشت. من این نظریه را «ماده تاریک نامتقارن» نامیدم. بر اساس ایده‌ای بود که میزان ماده تاریک در جهان با تعامل آن با نوترون‌ها و الکترون‌ها تعیین می‌شود. با استفاده از این عدد و ترکیب آن با جرم کل ماده تاریک در فضا می‌توان جرم رایج‌ترین ذرات بخش تاریک را محاسبه کرد. مشخص شد که ذرات فرضی باید تقریباً به اندازه نوترون‌ها وزن داشته باشند—دقیقاً همان چیزی که آزمایش‌ها مشاهده می‌کردند.

ورود این انحرافات، حوزه ماده تاریک بخش تاریک را بسیار محبوب کرد. مخزن آنلاین مقالات فیزیک نوین پر شد از مطالعاتی که توضیحات احتمالی برای این اضافه‌ها با انواع مختلف بخش‌های پنهان ارائه می‌دادند. به نظر می‌رسید شرط من برای مخفی ماندن ماده تاریک در خطر باشد. اما مشاهدات و نظریه‌ها کاملاً با هم هم‌خوانی نداشتند و مدل‌ها برای تطابق با داده‌های تجربی پیچیده و حجیم شدند. تا سال ۲۰۱۱ اعتقاد من به این‌که انحرافات می‌توانند نشانه‌ای از ماده تاریک باشند، کمرنگ شد.

همه با این نظر موافق نبودند. هوپر، همیشه خوش‌بین، هنوز فکر می‌کرد این انحرافات ممکن است ماده تاریک باشند، بنابراین شرط را افزایش داد و دو بطری شراب ممتاز اضافه کرد. با این حال، بررسی‌های بعدی بیشتر فیزیکدانان را متقاعد کرد که اکثر مشاهدات باید توضیحی معمولی مانند سیگنال پس‌زمینه یا اثرات آشکارساز داشته باشند. بطری‌های شراب ممتاز من از هوپر در دوران پاندمی ۲۰۲۰ رسیدند.

اما این پایان داستان نبود. تأثیر بلندمدت این انحرافات ذهن پژوهشگران را به سوی نظریه‌های جدید ماده تاریک فراتر از WIMP و آکسیون باز کرد. این تغییر با این واقعیت تسهیل شد که دهه‌ها آزمایش طراحی‌شده برای یافتن WIMP و آکسیون تاکنون نتیجه‌ای نداشته‌اند. حتی برخورددهنده هادرونی بزرگ، که بسیاری انتظار داشتند WIMPها و ذرات جدید دیگر را پیدا کند، هیچ چیز جدیدی به جز آخرین بخش تأییدنشده مدل استاندارد، یعنی بوزون هیگز، نیافت. فیزیکدانان بیش‌تر و بیش‌تری متوجه شدند که باید دامنه جستجوی خود را گسترش دهند.

در سال ۲۰۱۴، من از دانشگاه میشیگان به آزمایشگاه ملی لارنس برکلی منتقل شدم و توجه خود را از نظریه‌های ماده تاریک به توسعه روش‌های جدید شناسایی آن معطوف کردم. کار در این حوزه افق‌های فیزیکی مرا به‌طور چشمگیری گسترش داد. یاد گرفتم که مطالعه نیروهای بنیادی طبیعت به تنهایی برای درک چگونگی تعامل ماده تاریک با ماده معمولی کافی نیست. برای چنین ارتباطات نادر و ضعیف بین ذرات، تعاملات بین اجزای بنیادی ماده (نوکلئون‌ها و الکترون‌ها در اتم‌ها) اهمیت پیدا می‌کند.

به عبارت دیگر، برای درک اینکه یک ذره ماده تاریک چگونه ممکن است بر یک اتم معمولی تأثیر بگذارد، باید تعاملات کوچک بین اتم‌ها در شبکه بلوری یک ماده را در نظر بگیریم. تصور کنید فنرهای یک تشک قدیمی: اگر یک قسمت از یک فنر فشار داده شود، موجی در کل تشک پخش می‌شود. از آن‌جایی که بسیاری از مواد چنین رفتار می‌کنند، منطقی بود که اگر ماده تاریک یک اتم را در شبکه‌ای از ماده «عادی» مختل کند، اختلالی منتشر شود.

این اختلالات جمعی که شامل بسیاری از اتم‌ها هستند، ماهیت کوانتومی دارند و «فونون» یا «ماگنون» نامیده می‌شوند. درک فونون‌ها حوزه فیزیک ماده چگال و فیزیک حالت جامد است که به اثرات جمعی بسیاری از اتم‌ها در یک ماده می‌پردازد. از آن‌جایی که مواد می‌توانند از اتم‌ها و مولکول‌های مختلف با پیوندهای متفاوت ساخته شوند، اختلالات جمعی شکل‌های مختلفی به خود می‌گیرند و مجموعه‌ای از تعاملات ممکن را ایجاد می‌کنند.

یکی از چالش‌های من، درک نحوه تعامل ماده تاریک با این پدیده‌های جمعی بود. برای این کار، به مدلی کاربردی نیاز داشتم که همه اثرات پیچیده را با چند پارامتر توصیف کند. متوجه شدم می‌توانم احتمال تعامل انواع ماده تاریک با یک ماده را پیش‌بینی کنم، اگر نیروی حاکم بر تعامل همان نیرویی باشد که مسئول فراوانی ماده تاریک در جهان است.

با چالش‌های عملی نیز مواجه شدم. همه فیزیکدانان زبان فیزیک یکسانی ندارند و هر حوزه معمولاً روی چند سؤال محدود تمرکز دارد. من به سؤالات بسیار متفاوتی علاقه‌مند بودم. به عنوان یک فیزیکدان ماده تاریک که برای اولین بار با فیزیکدانان ماده چگال در مورد برانگیختگی‌های جمعی همکاری می‌کرد، موانعی داشتم.

زمانی که یاد گرفتم چگونه درک خود از مسئله تعامل ماده تاریک را به زبان فیزیکدانان ماده چگال و اتمی بازنویسی کنم، پیشرفت ما بسیار سریع‌تر شد. به مرور، دنیای جدیدی از پدیده‌های جمعی پیش روی ما گشوده شد. کشف کردیم که فیزیکدانان ماده چگال و اتمی، مولکولی و نوری، با استفاده از ابزارها و مکانیسم‌های آشکارسازی خود از جستجوی ماده تاریک لذت می‌برند.

پس از چند سال بازی با ایده‌های متعدد، متوجه شدیم که باید روی چند ایده محدود برای توسعه تجربی تمرکز کنیم. در نهایت، دو ماده انتخاب شد که به نظر اهداف امیدوارکننده‌ای برای آزمایش بودند، هم از نظر تعاملات بنیادی ماده تاریک و هم از نظر قابلیت استفاده در آزمایش.

دسته اول مواد قطبی مانند کوارتز و یاقوت هستند، که فونون‌های قوی با انرژی جمعی تولید می‌کنند که با ماده تاریک همخوانی خوبی دارد و به نظر می‌رسد بتواند با فوتون تاریک ارتباط برقرار کند. دسته دوم، هلیوم فوق‌سیال است که از بسیاری از نقص‌های موجود در مواد جامد با شبکه‌های بلوری عاری است. این مایع هسته‌های سبکی دارد که احتمال تعامل نسبتاً خوبی با ماده تاریک دارند.

برای گام‌های بعدی، همکاران تجربی ما پیشتاز هستند. همکاران سابق من در آزمایشگاه لارنس برکلی دو ایده امیدوارکننده ارائه داده‌اند. مت پایل، آزمایشی به نام SPICE (آزمایش سرمایی تعاملات قطبی زیر eV) پیشنهاد کرده که از ماده قطبی مانند یاقوت برای آشکارساز استفاده می‌کند. آزمایشگر دیگر، دنیل مک‌کینزی، پروژه HeRaLD (آشکارساز هلیوم و روتون مایع) را تصور کرده که از هلیوم فوق‌سیال استفاده می‌کند.

کار نظری ما نشان می‌دهد که نمونه‌های کوچک مواد هدف—حدود یک کیلوگرم یا کمتر—کافی است تا نظریه‌های ما را

آزمایش کنیم. اگرچه این نمونه‌ها به مقدار زیادی ماده نیاز ندارند، اما باید عاری از نقص باشند و در محیطی بسیار آرام و بدون آلاینده قرار گیرند. خوشبختانه، از طریق نسل‌های قبلی آزمایش‌های ماده تاریک برای یافتن WIMPها، پایل و مک‌کینزی پیش‌تر تجربه کاهش منابع نویز و رادیواکتیویته را با کار در عمق زیرزمین کسب کرده‌اند.

اگرچه همه ایده‌های نظری برای این آزمایش‌ها آماده است، به کارگیری آن‌ها زمان‌بر خواهد بود. هر دو پروژه یک مرحله بودجه از سوی دفتر علم وزارت انرژی ایالات متحده برای توسعه بیشتر مفاهیم دریافت کرده‌اند. با این حال، طی چهار تا پنج سال گذشته، ما فرآیندهای پس‌زمینه جدیدی کشف کرده‌ایم که ممکن است سیگنال‌های مورد جستجوی ما را شبیه‌سازی کنند و باید راه‌هایی برای مسدود کردن آن‌ها پیدا کنیم. به دلیل این پس‌زمینه‌های بزرگ، آشکارسازها هنوز به اندازه کافی حساس نیستند تا ماده تاریک را کشف کنند. ممکن است بیش از یک دهه طول بکشد، همانند نسل‌های قبلی آزمایش‌های WIMP، تا یاد بگیریم چگونه این آشکارسازها را آن‌قدر آرام کنیم که بتوانند «نجواهای» ماده تاریک را بشنوند.

با این حال، آنچه طی ۲۰ سال گذشته به دست آمده، گشایش چشمگیر امکانات نظری برای ماده تاریک و روش‌های یافتن آن است. ماهیت بنیادی ماده تاریک که جهان ما را فراگرفته هنوز حل نشده است.

هنگامی که روی این مسئله کار می‌کنم، دوست دارم به ساخت کلیساها در قرون گذشته فکر کنم، که نسل به نسل ساخته می‌شدند، هر سنگ به دقت روی سنگ دیگر قرار می‌گرفت. در نهایت، با ساختن درک خود از ماده تاریک به تدریج، امیدواریم به درک واقعی تمام اجزای طبیعت دست پیدا کنیم.

منابع یا توضیحات

نویسنده مقاله:  Kathryn Zurek
تصویرسازی:  Maciej Frolow