جست‌وجوی ردی از مادهٔ تاریک با ساعت‌های اسپین نوترونی

یک تیم تحقیقاتی بین المللی با استفاده از آزمایش دقیقی که در دانشگاه برن انجام شد، موفق شد به طور قابل توجهی محدودهٔ وجود مادهٔ تاریک را محدود کند. این آزمایش در منبع تحقیقاتی نوترون اروپایی در مؤسسه لاو-لانژوین در فرانسه انجام شد و سهم مهمی در جستجوی این ذرات دارد، که اطلاعات کمی از آنها باقی مانده است.
رصد های کیهانی مدار ستارگان و کهکشان‌ها می‌توانند نتایج روشنی در مورد نیروهای گرانشی جذب کننده‌ای که بین اجرام سماوی عمل می‌کنند به دست آید. یافتهٔ شگفت‌انگیز: مادهٔ مرئی برای توضیح ایجاد یا حرکت کهکشان‌ها کافی نیست. این نشان می دهد که نوع دیگری از ماده وجود دارد که تاکنون ناشناخته است.بر این اساس، در سال 1933، فیزیکدان و ستاره شناس سوئیسی، فریتز زویکی، وجود چیزی را استنباط کرد که امروزه به عنوان مادهٔ تاریک (Dark matter) شناخته می شود. مادهٔ تاریک یک شکل فرضی از ماده است که مستقیماً قابل مشاهده نیست، اما از طریق گرانش برهم کنش دارد و تقریباً پنج برابر جرم ماده ای است که ما با آن آشنا هستیم.
اخیراً، به دنبال آزمایش دقیقی که در مرکز فیزیک بنیادی آلبرت انیشتین (AEC) در دانشگاه برن انجام شد، یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی موفق شد دامنهٔ وجود ماده تاریک را به میزان قابل توجهی محدود کند. AEC با بیش از 100 عضو، یکی از سازمان های تحقیقاتی بین المللی پیشرو در زمینه فیزیک ذرات است. یافته های این تیم به رهبری برن اکنون در مجله معتبر Physical Review Letters منتشر شده است.

راز پیرامون ماده تاریک

ایوو شولتس، دانشجوی دکترا در AEC و نویسنده اصلی این مطالعه توضیح می دهد:"ماده تاریک واقعاً از چه ساخته شده است هنوز کاملاً نامشخص است." با این حال، آنچه مسلم است این است که از همان ذراتی که ستاره ها، سیاره زمین یا ما انسان ها را تشکیل می دهند، ساخته نشده است. در سرتاسر جهان، آزمایش‌ها و روش‌های حساس‌تر برای جستجوی ذرات احتمالی ماده تاریک مورد استفاده قرار می‌گیرند، البته تاکنون، بدون موفقیت.
ذرات بنیادی فرضی خاصی که به عنوان اکسیون (axion) شناخته می شوند، یک دستهٔ امیدوارکننده از نامزدهای احتمالی برای ذرات ماده تاریک هستند. مزیت مهم این ذرات بسیار سبک وزن این است که می توانند به طور همزمان پدیده های مهم دیگری را در فیزیک ذرات توضیح دهند که هنوز درک نشده اند.

آزمایش برن تاریکی را روشن می کند

فلوریان پیگسا، پروفسور فیزیک کم انرژی و دقیق در AEC که در سال 2016 به دلیل تحقیقاتش در مورد نوترون ها، یکی از جوایز معتبر شروع ERC را از شورای تحقیقات اروپا دریافت کرد، توضیح می دهد:" به لطف چندین سال تخصص، تیم ما موفق به طراحی و ساخت یک دستگاه اندازه گیری بسیار حساس، آزمایش Beam EDM شده است." اگر اکسیون های گریزان واقعا وجود داشته باشند، باید یک علامت مشخصه در دستگاه اندازه گیری به جا بگذارند.
شولتس توضیح می دهد:" این آزمایش ،ما را قادر می سازد فرکانس چرخشی اسپین های نوترونی را که از طریق برهم نهی میدان های الکتریکی و مغناطیسی حرکت می کنند، تعیین کنیم." چرخش هر نوترون منفرد به عنوان نوعی سوزن قطب نما عمل می کند که به دلیل میدان مغناطیسی مشابه عقربه دوم ساعت مچی می چرخد، اما تقریباً 400000 برابر سریعتر. پیگسا توضیح می دهد:"ما دقیقاً این فرکانس چرخشی را اندازه گیری کردیم و آن را برای کوچکترین نوسانات دوره ای که در اثر برهمکنش با محورها ایجاد می شد بررسی کردیم." نتایج آزمایش واضح بود: پیگسا می‌گوید:" فرکانس چرخشی نوترون‌ها بدون تغییر باقی ماند، به این معنی که هیچ مدرکی از آکسیون‌ها در اندازه‌گیری‌های ما وجود ندارد."

فضای پارامتر با موفقیت محدود شد

اندازه‌گیری‌هایی که با محققان فرانسوی در منبع تحقیقاتی نوترون اروپایی در موسسه لاو-لانژوین انجام شد، امکان حذف تجربی فضای پارامتری کاملاً ناشناخته از اکسیون‌ها را فراهم کرد. همچنین ثابت شد که جستجو برای آکسیون‌های فرضی که بیش از 1000 برابر سنگین تر از آنچه قبلاً با آزمایش های دیگر امکان پذیر بود خواهد بود.
شولتس نتیجه می گیرد:"اگرچه وجود این ذرات مرموز است، اما ما با موفقیت یک پارامتر مهم فضای مادهٔ تاریک را حذف کردیم." آزمایش‌های آینده اکنون می‌توانند بر روی این کار بنا شوند. پیگسا توضیح می دهد:"در نهایت پاسخ به سوال ماده تاریک به ما بینش قابل توجهی از مبانی طبیعت می دهد و ما را گام بزرگی به درک کامل جهان نزدیکتر می کند."

لینک مطلب


@cosmos_physics