دانشمندان در جست‌وجوی ماده تاریک، رویدادی غیرمعمول و قابل‌توجه را در آشکارساز LUX-ZEPLIN کشف کرده‌اند، آشکارسازی که در عمق نزدیک به یک مایلی زیرِ زمین، در داکوتای جنوبی، قرار دارد. تصویر از: Stock.

نزدیک به یک قرن است که دانشمندان در تلاش برای شناسایی ماده تاریک‌اند، ماده مرموزی که گمان می‌رود حدود ۸۵ درصد کل ماده جهان را تشکیل می‌دهد. با وجود تأثیر عظیم ماده تاریک بر کهکشان‌ها و ساختار کیهانی، هیچ‌گاه مستقیم مشاهده نشده و همین موضوع ماهیت حقیقی آن را جزو بزرگ‌ترین پرسش‌های بی‌پاسخ فیزیک قرار داده است.

اکنون نتایج تحلیل جدیدی از آزمایش LUX-ZEPLIN (LZ) به نتیجه قابل‌توجهی دست یافته است. محققان برهم‌کنش تک‌ذره‌ای را ثبت کرده‌اند که توضیح آن با استفاده از سیگنال‌های پس‌زمینه شناخته‌شده ناشی از ماده معمولی دشوار است. با این که این یافته از استاندارد آماری مورد نیاز برای اعلام یک کشف برخوردار نیست، اما تاکنون قوی‌ترین سرنخ درباره ماده تاریک است که LZ گزارش کرده است.

آشکارساز مرکزی LZ، محفظه تصویربرداری زمانی، در اتاقِ تمیز آزمایشگاه در سطح زمین، پیش از نصب در زیرِ زمین . تصویر از: متیو کاپاست (Matthew Kapust)، مرکز تحقیقات زیرزمینی سنفورد.

آشکارساز ماده تاریک در اعماق زمین

آزمایش LZ ۲۵۰ دانشمند و مهندس از ۳۹ مؤسسه را گرد هم آورده است. این آشکارساز که تحت مدیریت آزمایشگاه ملی لارنس برکلیِ وزارت انرژی ایالات متحده (آزمایشگاه برکلی) فعالیت می‌کند، در عمق نزدیک به یک مایلی زیر زمین در مرکز تحقیقات زیرزمینی سنفورد (SURF) در داکوتای جنوبی قرار دارد.

در قلب این آشکارساز ۱۰ تن زنون مایع با خلوص بسیار بالا قرار دارد. دانشمندان از این ماده برای مشاهده مواجهه احتمالی با ذرات ماده تاریک، به‌خصوص ذرات فرضی موسوم به WIMPها یا ذرات پرجرم با برهم‌کنش ضعیف، استفاده می‌کنند.

آخرین یافته‌ها طی یک سخنرانی علمی در کنفرانس اخترفیزیک ذرات TeV در سال ۲۰۲۶ در ژاپن ارائه شده و انتظار می‌رود که مقاله آن در منبع آنلاین arXiv قرار گیرد و برای انتشار به Physical Review Letters ارسال شود.

ریک گیتسکل (Rick Gaitskell)، استاد دانشگاه براون و سخنگوی LZ، می‌گوید: «دیدن این رویداد در داده‌ها برای ما بسیار جالب است، آن هم در ناحیه‌ای که انتظار داریم ماده تاریک در آن خود را نشان دهد و سیگنال‌های پس‌زمینه رقیب بسیار ضعیف‌اند. نمی‌خواهیم فقط با یک رویداد، زودتر از موعد نتیجه‌گیری کنیم. ما ادعا نمی‌کنیم که ماده تاریک را دیده‌ایم. بلکه چیز جالبی دیده‌ایم که می‌خواهیم آن را با جامعه علمی به اشتراک بگذاریم و نظرات و دیدگاه‌های آنها را بدانیم.»

LZ در جست‌وجوی ماده تاریک از لوله‌های فوتومولتی‌پلایر، که در اینجا پیش از نصب در آشکارساز نشان داده شده است، برای ثبت نور ناشی از برهم‌کنش ذرات استفاده کرده است. تصویر از: متیو کاپاست / آزمایشگاه پژوهشی زیرزمینی سنفورد.

گسترش جست‌وجو به‌دنبال WIMPها

گروه LZ مشاهدات تجربی خود را در شاخه‌های مختلف بررسی می‌کند. محققان در این تحلیل، داده‌های ۲۲۰ روز عملیاتی را که بین مارس ۲۰۲۳ و آوریل ۲۰۲۴ جمع‌آوری شده بود، بررسی کردند.

پیش‌تر دانشمندان همین مجموعه داده‌ها را برای یافتن سیگنال‌های ضعیفی که ممکن است از ساده‌ترین اَشکال برهم‌‌کنش‌های WIMPها ایجاد ‌شوند، بررسی کرده بودند. آنها این بار جست‌وجو را گسترش دادند تا دیگر برهم‌کنش‌های احتمالی WIMPها را نیز در بر بگیرد؛ برهم‌کنش‌هایی که می‌توانند مقدارهای بیشتر انرژی را درون آشکارساز آزاد کنند. LZ برای شناسایی این نوع رویدادها مناسب است و در عین‌حال خطر مثبت کاذب را پایین نگه می‌دارد.

سم اریکسِن (Sam Eriksen)، پژوهش‌گر ارشد دانشگاه برستول در آمریکا و نویسنده اصلی مقاله، می‌گوید: «این کار یک مطالعه دقیق در ناحیه‌ای از مجموعه داده بود که کاوش نکرده بودیم، و برای درک همه علل ممکن رویدادهای پس‌زمینه ماه‌ها تلاش مضاعف صرف کردیم. ما آشکارساز و رویدادهای پس‌زمینه را چنان خوب می‌شناسیم که حتی یک رویداد برجسته و غیرمعمول، مانند آن‌چه پیدا کردیم، نیز اهمیت دارد. انتظار داریم رویدادهای ناشی از ماده تاریک بسیار کمیاب باشند، بنابراین حتی تعداد انگشت‌شماری از این رویدادها هم می‌توانند نخستین شناسایی ماده تاریک از نوع WIMP را رقم بزنند.»

آشکارساز LZ از یک محفظه استوانه‌ای پر از زنون مایع برای جست‌وجو به‌دنبال ماده تاریک استفاده می‌کند. این محفظه با لایه‌های اضافی احاطه شده تا ذرات پس‌زمینه را آشکارسازی یا مسدود کند (سمت چپ). وقتی یک WIMP با یک اتم زنون برخوررد کند (سمت راست)، یک درخشش نوری و یک الکترون تابش می‌کند. نور در قسمت‌های بالا و پایین محفظه زنون مایع شناسایی می‌شود. یک میدان الکتریکی الکترون‌ها را به بالای محفظه می‌راند، و در آنجا دومین درخشش نوری ایجاد می‌شود. تصویر از: گرک استوارت / آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC.

این رویداد مرموز چه معنایی می‌تواند داشته باشد؟

اگر واقعاً ماده تاریک این رویداد غیرمعمول را ایجاد کرده باشد، جرم WIMP مسئول آن احتمالاً دستِ‌کم GeV/c² ۲۰۰ (گیگاالکترون‌ولت) خواهد بود؛ یعنی بیش از ۲۰۰ برابر جرم پروتون.

چنین نتیجه‌ای همچنین می‌تواند نشان‌دهنده نوع خاصی از برهم‌کنش میان WIMPها و ماده معمولی باشد که فراتر از ساده‌ترین مدل‌هایی است که دانشمندان به‌طور سنتی در جست‌وجوی آن‌اند.

با این حال در حال حاضر شواهد آن‌چنان قوی نیستند که این یافته را بتوان یک کشف در نظر گرفت. فیزیک‌دان‌های فیزیک ذرات معمولاً برای اعلام یک کشف به نتیجه‌ای با معناداری ۵ سیگما نیاز دارند. در حال حاضر معناداری تحلیل جدید LZ به ۲.۶ سیگما رسیده و به این معنا است که حدود ۰.۵درصد احتمال وجود دارد که فرایندهای شناخته‌شده پس‌زمینه بتوانند عامل این رویداد باشند.

با جمع‌آوری داده‌های بیشتر مشخص خواهد شد که آیا اهمیت آماری این سیگنال به‌تدریج بیشتر می‌شود یا در نهایت در پس‌زمینه آماری محو خواهد شد. تاکنون LZ بزرگ‌ترین مجموعه داده جهان را برای جست‌وجوی ماده تاریک گردآوری کرده و به جمع‌آوری داده‌های WIMP در SURF ادامه خواهد داد، در نتیجه اطلاعات بسیار بیشتری در اختیار پژوهش‌گران قرار خواهد گرفت تا آن را بررسی کنند.

LZ چگونه به‌دنبال ماده نامرئی می‌گردد؟

ماده تاریک را نمی‌توان به‌طور مستقیم مشاهده کرد،‌ بنابراین LZ به‌دنبال شواهد غیرمستقیم برخوردهای ذرات است. وقتی انرژی در آشکارساز ذخیره می‌شود، زنون مایع می‌تواند درخشش‌های نوری مشخصی تولید کند که ابزارهای حساس آنها را ثبت می‌کنند.

چالش اصلی برای انجام این کار تفکیک برهم‌کنش احتمالی ماده تاریک از سیگنال‌هایی است که ذرات ماده معمولی تولید می‌کنند. LZ برای انجام این کار از چندین لایه محافظ و روش‌های مختلف تحلیل داده‌ استفاده می‌کند.

نزدیک به یک مایل سنگ و صخره در بالای محل آزمایش بخش زیادی از پرتوهای کیهانی واردشده از فضا را مسدود می‌کند. یک مخزن آب در اطراف آشکارساز و آشکارسازهای خارجی اضافی نیز به محافظت از ابزار مرکزی در برابر نوترون‌های پس‌زمینه کمک می‌کنند. همچنین پژوهش‌گران برای شناسایی انواع مختلف برهم‌کنش‌های ذرات و حذف رویدادهایی که می‌تواند نشانه‌های مورد انتظار ماده تاریک را شبیه‌سازی کند، از روش‌های محاسباتی پیچیده‌ای استفاده می‌کنند.

رویدادی غیرعادی که هنوز توضیح دقیقی برای آن پیدا نشده است

رویدادهای غیرمنتظره در آزمایش‌هایی با این حساسیت چیز عجیبی نیست. در بیشتر موارد بررسی دقیق‌تر در نهایت توضیحی معمولی را نشان می‌دهد. آن‌چه این رویداد خاص را غیرمعمول مي‌کند این است که پژوهش‌گران هنوز نتوانسته‌اند چنین توضیحی برای آن بیابند.

آرون مانالیسای (Aaron Manalaysay)، فیزیک‌دانی از آزمایشگاه برکلی و رئیس هیئت راهبردی LZ، می‌گوید: «رویدادهای غیرعادی در داده‌ها دور از انتظار نیستند، اما معمولاً وقتی با دقت بیشتری آنها را بررسی می‌کنید مشخص می‌شود که نوعی پس‌زمینه‌اند. این اولین نمونه در میان آزمایش‌هایی است که من روی آنها کار کرده‌ام که یک رویداد غیرعادی از هر لحاظ معتبر به‌نظر می‌رسد. البته ما هنوز داریم ذهن خود را به کار می‌اندازیم تا ببینیم آیا ممکن است سازوکار نادری برای پس‌زمینه وجود داشته باشد که از چشم ما دور مانده باشد،‌ اما هیجان‌انگیز است که فکر کنیم شاید این نخستین نشانه از ماده تاریک باشد.»

این که آیا این احتمال در بررسی‌های دقیق‌تر نیز پابرجا خواهد ماند یا خیر به آن‌چه LZ در ادامه افزایش حجم مجموعه داده خود مشاهده خواهد کرد، بستگی دارد.

منبع:

Scientists Detect a Mysterious Signal That Could Be Dark Matter