جستجوی تاریخی برای «قطعه گمشدهٔ عظیم» جهان، اسرار جدیدی از فیزیک ذرات را آشکار می‌کند

دانشمندان با یکی از بزرگ‌ترین آزمایش‌ها تا به امروز، به‌دنبال ماده تاریک و نوترینوهای خورشیدی گشتند. در حالی که نوترینوها به‌احتمال زیاد مشاهده شدند، نتایج مربوط به ماده تاریک قابل تأیید نبودند.

تحقیقی بی‌سابقه، با بهره‌گیری از یک آشکارساز ذره‌ای زیرزمینی در داكوتای جنوبی، ممکن است بینش‌های جدیدی درباره ماده تاریک، مادهٔ مرمزی که گمان می‌رود بیشتر مادهٔ موجود در جهان را تشکیل دهد، آشکار کرده باشد.

با استفاده از بزرگ‌ترین مجموعه داده‌ از این دست، آزمایشی — که به نام LUX‑ZEPLIN (LZ) شناخته می‌شود — ویژگی‌های احتمالی یکی از برترین نامزدهای مادهٔ تاریک را با حساسیت بی‌سابقه محدود کرد. این پژوهش هیچ شواهدی از این مادهٔ مرموز را کشف نکرد، اما به مطالعات آینده کمک خواهد کرد تا از تشخیص‌های نادرست جلوگیری کنند و به‌دقت بیشتری بر این قطعهٔ کم‌درک‌شده از جهان متمرکز شوند.

“این مأموریت سعی دارد این مشکل عظیم، این قطعهٔ گمشدهٔ عظیم را که در درک جهانمان داریم، حل کند،” ریک گیتسکل، سرپرست گروه نجوم ذره‌ای در دانشگاه براون و عضو تیم تحقیقاتی LZ، به Live Science گفت.

WIMP‌ها در برابر نوترینوها

تیم دو هدف برای مطالعهٔ جدید داشت: روشن کردن ویژگی‌های یک «طعم» کم‌جرم از ذرات پیشنهادی مادهٔ تاریک که به‌عنوان ذرات عظیم با تعامل ضعیف (WIMPs) شناخته می‌شوند، و بررسی این‌که آیا آشکارساز می‌تواند نوترینوهای خورشیدی را مشاهده کند — ذرات زیراتمی تقریباً بدون جرم که توسط واکنش‌های هسته‌ای داخل خورشید تولید می‌شوند. تیم بر این باور بود که نشانهٔ تشخیص این ذرات می‌تواند شبیه به پیش‌بینی‌های برخی مدل‌های مادهٔ تاریک باشد، اما برای اطمینان نیاز به شناسایی نوترینوهای خورشیدی دارد.

پیش از انجام آزمایش، که بین مارس ۲۰۲۳ و آوریل ۲۰۲۵ به‌مدت ۴۱۷ روز به‌پایان رسید، حساسیت آشکارساز ارتقا یافت تا به‌دنبال تعاملات نادر با ذرات بنیادی بگردد. یک محفظهٔ استوانه‌ای پر از زنون مایع صحنهٔ آزمایش بود. پژوهشگران می‌توانستند هم WIMP‌ها و هم نوترینوها را که به زنون برخورد می‌کردند، نظاره کنند؛ هرکدام از این برخوردها باعث تابش فوتون‌های کوتاه‌مدت شده و الکترون‌های مثبت‌بار نیز تولید می‌شد.

این آزمایش پیشرفت‌های علمی در هر دو سؤال مربوط به WIMP و نوترینو را به‌دست آورد. برای نوترینوها، پژوهشگران اطمینان خود را افزایش دادند که نوعی نوترینوی خورشیدی، معروف به بورون‑۸، در واقع با زنون تعامل دارد. این دانش به مطالعات آینده کمک خواهد کرد تا از تشخیص‌های نادرست مادهٔ تاریک جلوگیری کنند.

کشف‌های فیزیکی به‌طور معمول باید به سطح اطمینان «۵ سیگما» برسند تا معتبر شمرده شوند. کار جدید به ۴٫۵ سیگما دست یافت — بهبود قابل‌توجهی نسبت به نتایج زیر‑۳ سیگما گزارش‌شده در دو آشکارساز در سال گذشته. این نکته به‌ویژه قابل توجه بود، زیرا تشخیص‌های بورون‑۸ فقط حدود یک بار در ماه در آشکارساز رخ می‌دهند، حتی زمانی که ۱۰ تن زنون تحت نظارت است، ریک گیتسکل گفت.

در مورد سؤال مادهٔ تاریک، با این حال پژوهشگران برای انواع کم‌جرم WIMP که به‌دنبالش بودند، چیزی قطعی نیافته‌اند. دانشمندان اگر آن را می‌دیدند، می‌دانستند، تیم گفت؛ اگر یک WIMP به هستهٔ یک مولکول زنون برخورد کند، انرژی این برخورد یک نشانهٔ خاص ایجاد می‌کند، همان‌طور که مدل‌ها پیش‌بینی می‌کنند.

“اگر به یک هسته بپردازید، ممکن است مادهٔ تاریک وارد شود و به‌طور همزمان از تمام هسته پراکنده شود و باعث بازتاب آن شود،” ریک گیتسکل توضیح داد. “این به‌نام پراکندگی همگرا شناخته می‌شود. در زنون یک نشانهٔ خاص دارد. بنابراین ما به دنبال همان پراکندگی‌های همگرا و هسته‌ای هستیم.”

دو برابر کردن دورهٔ اجرا

آزمایش در حال حاضر ادامه دارد، با یک دورهٔ طولانی‌تر که تا سال ۲۰۲۸ ادامه دارد. تا آن زمان، آشکارساز یک رکورد شگفت‌انگیز ۱٬۰۰۰ روز داده جمع‌آوری خواهد کرد. دوره‌های طولانی‌تر فرصت پژوهشگران را برای ثبت رویدادهای نادر افزایش می‌دهند.

آشکارساز نه تنها به‌دنبال تعاملات بیشتر نوترینوهای خورشیدی یا WIMP‌ها خواهد گشت، بلکه به‌دنبال فیزیک دیگری نیز خواهد بود که ممکن است خارج از مدل استاندارد فیزیک ذرات قرار گیرد، که گفته می‌شود بیشتر محیط اطراف ما را توصیف می‌کند.

ریک گیتسکل تأکید کرد که نقش علم این است که حتی زمانی که نتایج «منفی» ظاهر می‌شوند، به پیشرفت ادامه دهد.

“یک نکته‌ای که آموخته‌ام این است که هرگز فرض نکنید که طبیعت دقیقاً به‌همین شکلی که انتظار دارید عمل می‌کند،” ریک گیتسکل گفت که بیش از چهار دهه در مطالعهٔ مادهٔ تاریک مشغول بوده است.

“راه‌حل‌های زیبا و شیکی وجود دارد که فکر می‌کنید «این چقدر زیباست. باید درست باشد». ما آن‌ها را آزمایش کردیم … و متوجه شدیم که طبیعت آن را نادیده گرفت و نمی‌خواست در این مسیر خاص پیش برود.”

یادداشت سردبیر: این مقاله در تاریخ ۱۰ دسامبر ساعت ۵ عصر به‌وقت شرق (ET) با یک تصحیح به‌روزرسانی شد. دورهٔ بعدی آشکارساز در سال ۲۰۲۸ شروع نخواهد شد، بلکه در همان زمان به پایان می‌رسد، پس از جمع‌آوری مجموعاً ۱٬۰۰۰ روز داده.