Real Time Web Analytics داستان ماده‌ تاریک: ماخوها مردند، ویمپ‌ها دیده نشدند، اکنون به ذرات سیمپ سلام کنید! | دیپ لوک

داستان ماده‌ تاریک: ماخوها مردند، ویمپ‌ها دیده نشدند، اکنون به ذرات سیمپ سلام کنید!

4

به نظر می‌رسد راز ماده تاریک، دیگر آنقدرها هم تاریک نیست! این ماده‌ شگفت‌انگیز و مرمروز از زمان مطرح شدنش، حجم عظیمی از پژوهش‌های فیزیکدانان را به خود اختصاص داده است. این پژوهش‌ها، دستاوردهای مهمی داشته‌ و پیشنهادهای جالبی برای ذرات تشکیل‌دهنده‌ی ماده تاریک، مطرح شده که البته وجود برخی از آنها رد شده است. در این مقاله، درباره‌ی جدیدترین و امیدبخش‌ترین کاندیداهای ماده تاریک یعنی ذرات سیمپ (SIMP) بحث می‌کنیم. با دیپ لوک همراه باشید…

یافتن ماده تاریک که با جستجوی یک توده ستاره‌ای پرجرم و تاریک یا ذرات سنگین جدید دارای برهمکنش ضعیف دنبال می‌شود، تا کنون ناموفق بوده، اما حالا یک ذره جدید به واسطه مشاهدات، کم کم طرفدارانی پیدا کرده است. این ذرات که به آنها ذرات سیمپ (SIMP) می‌گویند، ذرات پرجرمی با برهمکنش قوی بوده و سه سال پیش در دانشگاه برکلی توسط فیزیکدان نظری هیتوشی مورایاما (Hitoshi Murayama) و یونیت هوچبرگ (Yonit Hochberg) پیشنهاد شدند.

مورایاما اعتقاد دارد یک تجمع کهکشانی نزدیک که به تازگی مشاهده شده، می‌تواند مدرکی دال بر وجود ذرات سیمپ باشد. او پیش بینی کرده که آزمایش‌های فیزیک ذرات در آینده، یکی از این ذرات را آشکار خواهد کرد. مورایاما در مورد آخرین دستاوردهای نظری خود در مورد ذرات سیمپ و اینکه برخورد کهکشان‌ها چگونه وجود این ذرات را تایید می‌کند کنفرانسی ارائه داده است.

با اینکه ماده تاریک، نامرئی است، ستاره‌شناسان مقدار آن را ۸۵ درصد جرم عالم محاسبه کرده‌اند. محکم‌ترین مدرک برای وجود ماده تاریک، حرکت ستارگان درونی کهکشان است: بدون وجود ماده تاریک، کهکشان‌ از هم گسسته خواهد شد. در برخی کهکشان‌ها، ستاره‌های مرئی آنقدر کم هستند که ماده تاریک ۹۹٫۹ درصد جرم کهکشان را تشکیل می‌دهد.

نظریه‌پردازان ابتدا تصور می‌کردند که این ماده نادیدنی، همان ماده معمولی است که خیلی کم نور است؛ مانند ستاره‌های کاملا تشکیل‌نشده (که آنها را کوتوله‌های قهوه‌ای نامیدند)، ستاره‌های سوخته یا سیاهچاله‌ها. هنوز هم اجرام پرجرم و چگال در هاله‌ای که مخفف آن ماخو (MACHO) نام دارد، کشف نشده‌اند. همچنین بررسی کهکشان آندرومدا در اوایل سال جاری توسط تلسکوپ سوبارو (Subaru)، هرگونه اجتماع مهم کشف نشده از سیاهچاله‌ها را از اساس رد کرد. محققان به دنبال پیدا کردن سیاهچاله‌هایی هستند که از جهان بسیار اولیه باقیمانده بودند. این سیاهچاله‌ها که به اصطلاح، سیاهچاله‌های زودگذر نام دارند با درخشندگی ناگهانی ناشی از عبور در جلوی ستارگان پس زمینه و عمل مانند یک لنز ضعیف، شناخته می‌شوند. آنها دقیقا یکی از این‌ سیاهچاله‌ها را یافتند که برای توجیه جرم کهکشان، خیلی کم است. مورایاما معتقد است؛ این تحقیق نشان می‌دهد که ماخوها وجود ندارند.

ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف یا همان ذرات ویمپ (WIMP) هم، چنین وضعی دارند؛ علی‌رغم آنکه، چندین دهه مورد تحقیق قرار گرفته‌اند. این ذرات باید حدود صدبرابر سنگین‌تر از پروتون باشند و خیلی به ندرت با یکدیگر برهمکنش دارند. گمان می‌شد این ذرات اغلب با ماده معمولی از طریق گرانش برهمکنش کرده و منجر به جذب ماده معمولی به داخل توده‌هایی که درون کهکشان‌ها رشد می‌کنند، شده و در نهایت ستاره‌ها را ایجاد می‌کنند.

ذرات سیمپ با خودشان برهمکنش می‌کنند نه با بقیه!

ذرات سیمپ مانند ذرات ویمپ و ماخوها از لحاظ نظری در مقیاس بزرگ و در ابتدای تاریخ جهان تولید شده‌ و تا دمای میانگین کیهانی سرد شده‌اند، اما برخلاف ذرات ویمپ، نظریه ذرات سیمپ می‌گوید آنها با خودشان برهمکنش گرانشی قوی برقرار می‌کنند و با ذرات معمولی، خیلی ضعیف برهمکنش دارند. به نظر مورایاما یک امکان این است که یک ذره سیمپ، مانند ذره پایون از یک کوارک و یک پادکوارک تشکیل شده باشد.

ذرات سیمپ از یک کوارک و یک ضد کوارک ساخته شده اند
ساختار بنیادی ذرات سیمپ پیشنهاد شده توسط مورایاما که در آن یک ذره سیمپ (سمت راست) مشابه یک ذره پایون (سمت چپ) از یک کوارک و یک پادکوارک تشکیل شده و با یک گلئون (G) کنار هم نگه داشته شده‌اند.

یک ذره سیمپ با اندازه‌ای شبیه به یک هسته اتم، از یک ذره ویمپ، کوچکتر خواهد بود که نشان می‌دهد تعداد آنها باید از ذرات ویمپ موجود، بیشتر باشد. مورایاما معتقد است تعداد بیشتر ذرات سیمپ به معنی این است که آنها علی‌رغم برهمکنش ضعیف با ماده معمولی، هنوز اثر شاخصی روی آن، باقی می‌گذارند.

مورایاما چنین اثر شاخصی را در چهار کهکشان در حال برخورد درون خوشه آبل ۳۸۲۷ می‌بیند، جایی که ماده تاریک به طور شگفت انگیزی و با تاخیر، پشت ماده مرئی ظاهر می‌شود. این پدیده می‌تواند با برهمکنش‌های بین ماده تاریک در هر کهکشانی توضیح داده شود؛ چرا که ادغام ماده تاریک را کُند می‌کند، اما ادغام ماده معمولی و اساسا ستارگان را نه. مورایاما می‌گوید:

یک روش برای درک عقب‌تر بودن ماده تاریک نسبت به ماده معمولی، این است که ذرات ماده تاریک، اندازه‌ای محدود دارند و در برابر یکدیگر پراکنده می‌شوند. بنابراین زمانی که بخواهند به سمت دیگر سیستم حرکت کنند، پس زده می‌شوند. این چیزی است که در نظریه من که ماده تاریک، نوع جدیدی از کوارک‌ها است، پیش‌بینی می‌شود.

ذرات سیمپ می‌توانند دلیل عقب ماندن ماده تاریک از ماده معمولی را توضیح دهند.
این تصویر تلسکوپ فضایی هابل از خوشه کهکشانی آبل ۳۸۲۷ است که برخورد چهار کهکشان درخشان را نشان می‌دهد. کهکشان‌های پشت این خوشه (Arc B و Lensing image A) به دلیل ماده معمولی و ماده تاریک درون این خوشه، تغییر شکل یافته‌اند. ذرات سیمپ می‌توانند توضیح دهند که چرا ماده تاریک بدلیل عقب ماندن از ماده معمولی در برخورد قابل تشخیص است.

علاوه بر این، ذرات سیمپ به یک پیروزی در توضیح توزیع ماده تاریک در کهکشان‌های کوچک دست پیدا کردند که نظریه ویمپ در آن ناکام مانده بود. مورایاما می‌گوید:

این معما از قدیم وجود داشته است: اگر به کهکشان‌های کوتوله نگاه کنید که شامل چند ستاره و خیلی کوچک هستند، می‌بینید که واقعا بیشتر از ماده تاریک تشکیل شده‌اند. شبیه سازی تشکیل توده‌ی ماده تاریک، همیشه نشان می‌دهد که یک انباشتگی بزرگ به سمت مرکز وجود دارد، اما در مشاهدات، این انباشتگی را پهن‌تر می‌بینند. این اختلاف، یکی از مسائل مهم در مورد ماده تاریک است. در صورتی که اگر ماده تاریک، مقدار محدودی داشته باشد (مانند یک ذره سیمپ)، آنگاه ذرات می‌توانند خودشان را پراکنده کنند و این عملا نمایانگر توده‌ای پهن به سمت مرکز می‌باشد. این خود می‌تواند گواهی دیگر بر درستی این نظریه باشد.

توزیع ماده تاریک در مرکز کهکشان کوتوله
نطریات متداول ذرات ویمپ، یک توزیع بسیار شدید و تیز از ماده تاریک در یک ناحیه کوچک مرکز هر کهکشان پیش‌بینی می‌کند. در مقابل نظریه ذرات سیمپ ، یک توزیع پهن ماده تاریک در مرکز را پیش‌بینی می‌کند که بیشتر در کهکشان‌های کوتوله متداول است.

پیش به سوی یافتن ذرات سیمپ ، ویمپ و اکسیون‌ها

دانشمندان در حال طراحی آزمایش‌های زمینی برای یافتن ذرات سیمپ هستند؛ به ویژه در شتاب‌دهنده‌هایی مانند برخورد دهنده بزرگ هادرونی در سرن که فیزیکدانان همیشه در آنجا به دنبال کشف ذرات ناشناخته جدید هستند. آزمایش دیگری در برخورد دهنده خطی بین‌المللی در ژاپن می‌تواند برای پیدا کردن ذرات سیمپ استفاده شود. همانطور که مورایاما و همکارانش نظریه ذرات سیمپ را اصلاح کرده و به دنبال راهی برای کشف این ذرات هستند، تحقیق در مورد ذرات ویمپ همچنان ادامه دارد. علاوه بر این فیزیکدانان همچنان به دنبال کاندیداهای دیگری برای ماده تاریک هستند. یکی از آن‌ها ذره اکسیون است که یک ذره فرضی کاندیدای ماده تاریک است. آزمایش CASPEr برای یافتن اختلالات اسپین هسته ناشی از میدان اکسیون طراحی شده است. آزمایش ماده تاریک با فرکانس بالا (ADMX-HF) نیز به دنبال یافتن اکسیون است. مورایاما می‌گوید:

ما نباید جستجوی ذرات ویمپ را رها کنیم. محدودیت‌های آزمایشگاهی بسیار مهم هستند. از آنجا که نشانه‌ای از وجود ذرات ویمپ دیده نشده، مردم وسیع‌تر می‌اندیشند. بیایید دست نگه داریم و دوباره به آن فکر کنیم.

فوق لیسانس فیزیک ذرات بنیادی. علاقمند به تقارنها و نظریه میدان‌های کوانتومی

گفتگو۴ دیدگاه

  1. سلام و خسته نباشید به ادمین های محترم سایت.من یک سوالی توی قسمت پرسش و پاسخ کوانتومی پرسیدم ولی هنوز نیومده و نمایش داده نشده .ممنون میشم پیگیری کنید.یا اگه در اون قسمت نمیشه همینجا سوالم رو بپرسم ؟

ارسال نظر

*