فیزیکدانان آلمانی به ابزاری شگفت‌انگیز جدید روی می‌آورند تا معمای ماده تاریک را حل کنند
تیمی از محققان در موسسه فیزیک ماکس پلانک در مونیخ، در جستجوی ماده تاریک، به ماده‌ای غیرمتعارف روی آورده‌اند: شکر.
آزمایش آن‌ها، بخشی از پروژه SWEET، از کریستال‌های ساکارز که تا نزدیکی صفر مطلق سرد شده بودند، برای تشخیص برهم‌کنش با ذرات ماده تاریک کم‌جرم استفاده کرد. هرچند چنین ذراتی یافت نشد، اما مفهوم کارآمد بود—و می‌تواند فصل جدیدی در فیزیک ذرات باز کند.
ده‌ها سال تلاش و میلیاردها دلار صرف جستجوی ماده تاریک شده است؛ ماده‌ای مرموز که بخش عمده‌ای از جرم کیهان را تشکیل می‌دهد. با این حال، با وجود اثرات گرانشی آن بر کهکشان‌ها و ستارگان، ماده تاریک همچنان از تشخیص مستقیم فرار می‌کند. آشکارسازهای سنتی نتیجه‌ای نداشته‌اند و این امر فیزیکدانان را وادار کرده تا مواد و فرضیات خود را بازنگری کنند.
این تلاش اخیر، از اتاق‌های بزرگ پر شده از زنون در گذشته فاصله می‌گیرد. در عوض، تیم به مواد آلی—به طور خاص شکر—به عنوان جایگزینی ارزان‌قیمت و حساس بالا روی آورد که قادر به تشخیص ذرات سبک‌تر و ظریف‌تر است. این تلاش، تغییر گسترده‌تری در این حوزه را نشان می‌دهد: به جای تعقیب ذرات سنگین که ظاهر نشده‌اند، دانشمندان اکنون آزمایش‌هایی برای捕获 نامزدهای سبک‌تر طراحی می‌کنند.
بازنگری رویکردی چنددهه‌ای
برای سال‌ها، این حوزه بر روی ذرات به اصطلاح WIMPها—ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف—تمرکز داشت. این ذرات نظری، تا ۱۰۰ برابر سنگین‌تر از پروتون فرض می‌شدند و انتظار می‌رفت که به ندرت اما به طور قابل اندازه‌گیری با هسته‌های اتمی برهم‌کنش کنند. آشکارسازهای عظیم در زیر زمین ساخته شدند تا از نویز پس‌زمینه محافظت شوند و با گازهای نجیب مانند زنون یا عناصری مانند ژرمانیوم پر شدند.
به گزارش ZME Science، این رویکرد نتیجه نداد. پس از شکست‌های مکرر در تشخیص حتی یک WIMP، فیزیکدانان با بن‌بستی مفهومی روبرو شدند. با از دست رفتن شتاب فرضیه WIMP، توجه به سمت ماده تاریک سبک—ذراتی با جرمی کمتر از پروتون—جلب شد. تشخیص این ذرات سبک‌تر نیازمند استراتژی آزمایشی کاملاً متفاوتی است که آشکارسازهای سنتی برای آن ساخته نشده بودند.
کریستال‌های شکر راه‌حلی نوآورانه ارائه می‌دهند. هر مولکول ساکارز حاوی ۲۲ اتم هیدروژن است که چگالی بالایی از نقاط برهم‌کنش بالقوه را فراهم می‌کند. این چگالی می‌تواند ساکارز را مؤثرتر از مواد دیگر برای هدف‌گیری ذرات سبک‌تر کند—به شرطی که آشکارسازها حساسیت کافی داشته باشند.
آزمایش شیرین چگونه کار کرد
برای آزمایش این ایده، محققان کریستال‌های شکر باکیفیت بالا را با حل کردن شکر تجاری در آب دیونیزه ایجاد کردند و محلولی فوق‌اشباع تولید نمودند. طی چندین هفته، محلول به آرامی سرد شد و کریستال‌های بزرگ روی سیم‌های نایلونی معلق در آن تشکیل شد. این نمونه‌های تک‌بلوری سپس تا دماهای کریوژنیک سرد شدند و با آشکارسازهایی مجهز گردیدند که قادر به ثبت حتی پالس‌های انرژی کوچک هستند.
کل مجموعه در آزمایشگاهی سطحی نگه‌داری شد و طی ۱۹ ساعت اجرا گردید. در این مدت، آشکارساز با موفقیت پالس‌های برهم‌کنش را ثبت کرد که با فعالیت ذرات سازگار بود. هرچند هیچ‌کدام از این‌ها به ماده تاریک مرتبط نبود، اما ثابت کرد که سیستم تشخیص خود به درستی عمل می‌کند.
کارلوس بلانکو، فیزیکدانی از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، حساسیت این مجموعه را امیدوارکننده توصیف کرد. به گزارش همان منبع، او اشاره کرد که نتایج علی‌رغم منفی بودن، مفید هستند؛ به ویژه در پالایش روش‌ها و شناسایی منابع تداخل. یکی از این منابع، کربن-۱۴، ایزوتوپ طبیعی موجود در تمام مواد آلی—از جمله شکر—است که می‌تواند نویز پس‌زمینه ناخواسته ایجاد کند.
نتایج پتانسیل را نشان می‌دهند، نه اثبات
هرچند آزمایش هیچ تشخیصی از ماده تاریک تولید نکرد، اما امکان‌پذیری استفاده از آشکارسازهای مبتنی بر شکر را اثبات کرد. این رویکرد درهای جدیدی به سوی کلاس جدیدی از آشکارسازهای آلی برای ذرات ماده تاریک سبک باز می‌کند—رویکردی که ممکن است به ویژه با توجه به محدودیت‌های فناوری‌های قبلی، ارزشمند باشد.
محققان قبلاً در حال برنامه‌ریزی برای بهبودها هستند. این بهبودها شامل رشد کریستال‌های خالص‌تر و انتقال آزمایش‌های آینده به زیر زمین برای محدود کردن تداخل پس‌زمینه از پرتوها می‌شود. موفقیت اولیه پروژه در ثبت سیگنال‌های برهم‌کنش پاک، نشان می‌دهد که حتی مواد روزمره، هنگامی که با مهندسی دقیق جفت شوند، می‌توانند نقشی در حل یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان ایفا کنند.