دانشمندان به ردپای ماده تاریک نزدیک شدند؛ فناوری‌ای که فیزیک را متحول می‌کند

به گزارش گروه ترجمه رکنا، به نقل از سای تک دیلی، اکثر جهان از ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل شده است، با این حال دانشمندان هنوز نمی‌دانند هر یک دقیقاً چیست. اکنون آشکارسازهای فوق حساس جدیدی ساخته می‌شوند تا تعاملات بسیار نادر ذرات را شناسایی کنند و ممکن است سرانجام ماهیت آنها را آشکار سازند.

ماهاپاترا برای توضیح این چالش از استعاره‌ای ساده استفاده می‌کند و می‌گوید: «این مانند تلاش برای توصیف یک فیل تنها با لمس دم آن است. ما چیزی عظیم و پیچیده را حس می‌کنیم، اما تنها بخش کوچکی از آن را درک می‌کنیم.»

درک ماده تاریک و انرژی تاریک

ماده تاریک و انرژی تاریک به دلیل ناشناخته بودن ماهیتشان چنین نام‌گذاری شده‌اند. ماده تاریک بخش عمده جرم کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را تشکیل می‌دهد و نقش کلیدی در شکل‌دهی ساختار آنها در فاصله‌های عظیم دارد، در حالی که انرژی تاریک عامل شتاب‌دهنده انبساط جهان است. به زبان ساده، ماده تاریک ساختارهای کیهانی را به هم نگه می‌دارد و انرژی تاریک آنها را از هم جدا می‌کند.

با وجود تسلط آنها بر جهان، نه ماده تاریک و نه انرژی تاریک نور ساطع، جذب یا بازتاب نمی‌کنند و بنابراین مشاهده مستقیم آنها بسیار دشوار است. محققان تأثیرات آن‌ها را از طریق گرانش مطالعه می‌کنند، که بر شکل‌گیری و حرکت کهکشان‌ها اثر می‌گذارد. انرژی تاریک بزرگ‌ترین جزء است و تقریباً ۶۸٪ انرژی کل جهان را تشکیل می‌دهد، در حالی که ماده تاریک حدود ۲۷٪ آن را به خود اختصاص می‌دهد.

کشف نجوا در میان طوفان

در دانشگاه تگزاس A&M، تیم ماهاپاترا در حال توسعه آشکارسازهایی با حساسیت فوق‌العاده است که تعاملات ذراتی را ثبت می‌کنند که به ندرت با ماده عادی برخورد می‌کنند و می‌توانند سرنخ‌های حیاتی درباره ماهیت ماده تاریک ارائه دهند.

ماهاپاترا می‌گوید: «چالش این است که ماده تاریک آن‌قدر ضعیف با ماده عادی تعامل می‌کند که ما به آشکارسازهایی نیاز داریم که قادر به دیدن رخدادهایی باشند که شاید یک بار در سال یا حتی یک بار در دهه رخ دهند.»

تیم او در جستجوی جهانی برای ماده تاریک با استفاده از آشکارساز TESSERACT مشارکت کرده است. ماهاپاترا افزود: «مسئله نوآوری است. ما راه‌هایی برای تقویت سیگنال‌هایی که پیش‌تر در نویز مدفون بودند، پیدا می‌کنیم.» دانشگاه تگزاس A&M یکی از معدود مؤسساتی است که در آزمایش‌های TESSERACT مشارکت دارد.

افزایش محدودیت‌های فناوری آشکارسازی

فعالیت‌های اخیر ماهاپاترا بر پایه دهه‌ها تجربه در توسعه روش‌های آشکارسازی ذرات است. طی ۲۵ سال گذشته، او در آزمایش SuperCDMS مشارکت داشته که حساس‌ترین جستجوهای ماده تاریک را انجام داده است.

در مقاله‌ای برجسته در سال ۲۰۱۴ در Physical Review Letters، ماهاپاترا و همکارانش، آشکارسازی کلوژومتریک یونیزاسیون با کمک ولتاژ را معرفی کردند که امکان بررسی WIMPهای کم‌جرم، یکی از نامزدهای اصلی ماده تاریک، را فراهم کرد و دامنه ذرات قابل شناسایی توسط آزمایش‌ها را گسترش داد.

در سال ۲۰۲۲، او مطالعه‌ای منتشر کرد که چند روش برای یافتن WIMPها، شامل آشکارسازی مستقیم، غیرمستقیم و جستجوی برخورددهنده‌ها را بررسی کرد و بر اهمیت ترکیب روش‌های مختلف برای حل معمای ماده تاریک تأکید کرد. ماهاپاترا می‌گوید: «هیچ آزمایشی به تنهایی نمی‌تواند تمام پاسخ‌ها را بدهد. ما به هم‌افزایی روش‌ها برای تکمیل تصویر کلی نیاز داریم.»

درک ماده تاریک فراتر از کنجکاوی علمی است و ممکن است برای کشف قوانین بنیادی حاکم بر جهان ضروری باشد. ماهاپاترا گفت: «اگر بتوانیم ماده تاریک را شناسایی کنیم، فصل جدیدی در فیزیک باز خواهد شد. این جستجو به فناوری‌های سنجش فوق حساس نیاز دارد و می‌تواند به فناوری‌هایی منجر شود که امروز حتی تصور آن را هم نداریم.»

WIMPها چیستند؟

دکتر روپاک ماهاپاترا، فیزیکدان ذرات تجربی دانشگاه تگزاس A&M، در کنار یک آشکارساز تحقیق و توسعه که در یک یخچال رقیق‌سازی نصب شده و آن را تا ۱۰۰۰۰۰ برابر خنک‌تر از دمای اتاق خنک می‌کند. منبع: دانشگاه تگزاس A&M

WIMPها (ذرات پرجرم با تعامل ضعیف) از مهم‌ترین نامزدهای نظری برای ماده تاریک هستند. این ذرات فرضی از طریق گرانش و نیروی هسته‌ای ضعیف تعامل می‌کنند که دلیل دشواری شناسایی آنهاست.

• اهمیت: در صورت وجود، WIMPها می‌توانند جرم گمشده جهان را توضیح دهند.

• نحوه جستجو: آزمایش‌هایی مانند SuperCDMS و TESSERACT از آشکارسازهای فوق حساس که تقریباً به صفر مطلق سرد شده‌اند، برای ثبت تعاملات نادر بین WIMPها و ماده عادی استفاده می‌کنند.

• چالش: یک WIMP ممکن است بدون ایجاد هیچ سیگنال قابل شناسایی از زمین عبور کند، بنابراین شناسایی حتی یک رخداد ممکن است سال‌ها طول بکشد.

منبع: «Spontaneous generation of athermal phonon bursts within bulk silicon causing excess noise, low energy background events, and quasiparticle poisoning in superconducting sensors» اثر C. L. Chang و همکاران، ۳۰ دسامبر ۲۰۲۵، Applied Physics Letters. DOI: 10.1063/5.028187