آیا اكسیون‌ها می‌توانند جهان را نجات دهند؟

آیا اكسیون‌ها می‌توانند جهان را نجات دهند؟نجوم و فضاعلمیجمعه ۹ آذر ۱۴۰۳ - ۲۲:۳۰مطالعه 7 دقیقهصبا سلوكیتبلیغاتمشاهده همه ویدئو‌هاتبلیغاتتبلیغاتاكسیون‌ها ذرات بنیادی هستند كه ممكن است به حل معمای شكل‌گیری جهان كمك كنند .

اما تلاش دانشمندان برای آشكارسازی آنها تا امروز بی‌نتیجه مانده است.تبلیغاتجست‌وجو برای برخی از ریزترین ذراتی كه فیزیكدانان تا به‌حال تصور كرده‌اند، همچنان ادامه دارد. این ذرات تاریك‌تر از شب هستند، تصور اینكه فراتر از یك ایده باشند سخت است و براساس یك شوینده‌ی لباس نام‌گذاری شده‌اند .

اما «اكسیون‌ها»، همان‌طور كه از نامشان پیداست، می‌توانند بیشتر ماده موجود در جهان ما را تشكیل دهند و اسكلت‌های نادیدنی كهكشان‌ها و زنجیره‌های نوری در آسمان ستاره‌شناسان را شكل دهند. تأیید وجود آن‌ها برخی از عمیق‌ترین نظریه‌های طبیعت را برهم خواهد زد .

«گری ریبكا»، فیزیكدان «دانشگاه واشنگتن» به نیویورك‌تایمز گفت: «نزدیك به ۱۰ سال است كه درحال جست‌وجو هستیم و هر روز ممكن است كشفی انجام دهیم.» وی روی پروژه‌ای به نام « آزمایش ماده تاریك اكسیون» (ADMX) كار می‌كند كه در تلاش است با استفاده از میدان‌های مغناطیسی قوی، اكسیون‌ها را آشكارسازی كند .

ستاره‌شناسان نیز با تحلیل چگونگی چرخش سیاه‌چاله‌ها و شكل كهكشان‌های نوزادی كه تلسكوپ فضایی جیمز وب به نمایش گذاشته، درحال جست‌وجوی نشانه‌هایی از وجود اكسیون‌ها هستند. اما تاكنون هیچ‌كس آن‌ها را پیدا نكرده است .

موفقیت در این زمینه سرنخی بزرگ به یكی از بزرگ‌ترین معماهای كیهان ارائه خواهد داد: جهان از چه چیزی ساخته شده است؟كپی لینكنشانه‌هایی از آسمانستاره‌شناسانی كه حركات ستاره‌ها و كهكشان‌ها را دنبال می‌كنند، با اكراه نتیجه‌گیری كرده‌اند كه چیزهای بیشتری در جهان وجود دارد كه نمی‌توان مستقیماً با تلسكوپ مشاهده كرد .

ماده‌ای كه ستاره‌ها، سیارات، كهكشان‌ها و ما را تشكیل می‌دهد، تنها یك‌ششم ماده موجود در جهان را شامل می‌شود. سایر آنچه به‌عنوان «ماده تاریك» شناخته می‌شود، نامرئی و دورافتاده است؛ اما گرانش كافی برای نگه‌داشتن جهان مشاهده‌پذیر را در كنار هم دارد .

ذرات بی‌شماری به عنوان كاندیدا برای ماده تاریك فرض شده‌اند. اما محبوب‌ترین‌ها آن‌هایی هستند كه شكاف‌های «مدل استاندارد» مدل استاندارد را پر می‌كنند. این مدل هرچند ناقص است، فعلاً بهترین نظریه‌ی ما برای توصیف طبیعت و نیروهای هدایتگر آن محسوب می‌شود .

برای دهه‌ها، دانشمندان برای شناخت ماده تاریك به ذرات سنگین دارای برهم‌كنش ضعیف امید بسته بودند كه با نام «WIMP» شناخته می‌شوند. این ذرات در دهه ۱۹۷۰ به عنوان ویژگی برجسته‌ای از نظریه‌ای به نام «ابرتقارن» كه برای حل مشكلات عمیق مدل استاندارد طراحی شده، مورد توجه قرار گرفتند .

WIMP-ها نامرئی بودند، عمدتاً از طریق گرانش با جهان برهم‌كنش داشتند و جرمشان صدها یا حتی هزاران برابر پروتون بود. این ذرات سنگین در مقیاس زیراتمی، درمقایسه با سرعت نور نیز كند بودند.بیشتر بخوانیدآیا تلسكوپ‌ها تنها راه كشف ماده تاریك هستند؟آشكارسازهای امواج گرانشی شاید بتوانند ماده تاریك را كشف كنندماده تاریك ممكن است درون ستاره‌های ناكام مخفی شده باشدWIMP-ها دقیقاً همان چیزی بودند كه كیهان‌شناسان برای پر كردن خلأهای كیهان نیاز داشتند .

«لونا زاگوراچ»، كیهان‌شناس ذرات در «مؤسسه نظری فیزیك پریمتر» در واترلو، گفت: «WIMP پیش‌فرض پایه بود، زیرا معجزه محسوب می‌شد و همه می‌خواهند این معجزه حقیقت داشته باشد.»میلیون‌ها دلار هزینه به امید یافتن WIMP، صرف ساخت آشكارسازهای بزرگ‌تر و دقیق‌تر در عمق زمین یا در دامنه‌های كوه‌ها شده است .

اما جست‌وجوها توسط آزمایش ماده تاریك LZ، برخورددهنده هادرونی بزرگ در سرن و سایر آشكارسازها همچنان بی‌نتیجه مانده است. چنین وضعیتی نشان می‌دهد كه این ذرات فرار حداقل برای آینده‌ی قابل پیش‌بینی دور از دسترس حوزه‌ی تجربی هستند .

برخی دانشمندان می‌گویند شاید زمان آن رسیده كه به نقشه دیگری فكر كنیم. «پریاموادا ناتاراجان»، اخترفیزیكدان «دانشگاه ییل»، می‌گوید: «با توجه به اینكه پس از دهه‌ها جست‌وجو همچنان دست خالی هستیم، به‌نظر می‌رسد طبیعی باشد كه به دنبال گزینه‌های دیگر بگردیم .

» او افزود: «اكسیون كاندیدایی از نگاه من قانع‌كننده است.» جست‌وجو برای یافتن WIMP-ها تاكنون بی‌نتیجه بوده استكپی لینكاهمیت اكسیون‌هاماهیت ماده تاریك تحت بررسی دقیق‌تر قرار گرفته است؛ زیرا دانشمندان بیشتر درباره جهان اولیه، زمانی كه اولین ستاره‌ها از بقایای بیگ‌بنگ ظهور كردند، آموخته‌اند .

به‌نظر می‌رسد كه كهكشان‌های اولیه خیلی بزرگ‌تر، روشن‌تر و بیشتر از آنچه نظریه‌های مبتنی‌بر WIMP پیش‌بینی كرده بودند، وجود داشته‌اند. اگر اكسیون‌ها وجود داشته باشند، ممكن است توضیحی درباره معما ارائه دهند؛ اما نظریه‌های كنونی جرم، آن‌ها را پیش‌بینی نمی‌كنند، فقط می‌دانیم اكسیون‌ها به سختی با ماده برهم‌كنش دارند و آشكارسازی آن‌ها در عمل دشوار است .

در سال ۱۹۷۷، «روبرتو پچئی»، فیزیكدان نظری دانشگاه «كالیفرنیا» و «هلن كوئین»، فیزیكدان ذرات در دانشگاه «استنفورد» برای ایجاد تغییر جزئی در نظریه‌ای كه نیروهای هسته‌ای قوی را توجیه می‌كند، اكسیون‌ها را پیشنهاد دادند .

این تغییر به توضیح این موضوع می‌پرداخت كه چرا نوترون‌ها (اجزای بدون بار هسته اتمی) از نظر الكتریكی نامتقارن نیستند، درحالی‌كه طبق مدل استاندارد باید چنین باشند. «فرانك ویلچك»، فیزیكدان نظری «موسسه فناوری ماساچوست» و «استیون واینبرگ» در «دانشگاه تگزاس»، به‌طور مستقل متوجه شدند كه تغییر پچئی-كوئین وجود یك ذره جدید را نشان می‌دهد .

دكتر ویلچك آن را اكسیون نامید. او سال ۲۰۱۶ در مقاله‌ای برای «كوانتا مگزین» نوشت: «چند سال قبل، نمایشگاهی از جعبه‌های رنگارنگ یك شوینده لباس به نام اكسیون توجه من را جلب كرده بود. به ذهنم رسید كه اكسیون شبیه نام یك ذره است و واقعاً باید چنین ذره‌ای وجود داشته باشد .

» دكتر ویلچك و دیگران همچنین متوجه شدند كه مانند WIMP-ها، اكسیون‌هایی با جرم خاص، دارای بسیاری از ویژگی‌های موردنیاز برای توصیف ماده تاریك هستند. آن‌ها باید به اندازه چند میلیونم الكترون‌ولت وزن داشته باشند كه واحدهای جرم و انرژی موردعلاقه فیزیكدانان ذرات است .

برای مقایسه بهتر است بدانید كه الكترون‌هایی كه در گوشی هوشمند شما حركت می‌كنند حدود نیم‌میلیون الكترون‌ولت وزن دارند. اما از نظر تئوری، اكسیون‌ها و ذرات شبیه اكسیون می‌توانند از هر اندازه یا جرمی برخوردار و عواقب سنگینی برای جهان داشته باشند .

گونه‌های مختلف می‌توانند نقش ماده تاریكی را ایفا كنند كه كهكشان‌ها را به هم پیوند می‌دهد، تابش ریزموج زمینه كیهانی را دچار انحراف یا حتی به انرژی تاریك معروف كمك می‌كند تا باعث انبساط جهان با سرعتی روزافزون شود .

اكسیون‌ها ویژگی‌های موردنیاز برای توصیف ماده تاریك را دارندنظریه «ریسمان»، كه به «نظریه همه‌چیز» مشهور است و تاكنون غیرقابل آزمایش بوده، پر از ذرات شبیه اكسیون است. «ساواس دیماپولوس»، فیزیكدان نظری دانشگاه استنفورد، گفت: «كشف بیش از یك نوع اكسیون ممكن است اولین شواهد تجربی از نظریه ریسمان باشد .

»عكاس: John P. Dessereauكپی لینكشكار در تاریكیهدف فقط این است كه بفهمیم چگونه می‌توانیم یك اكسیون را گیر بیندازیم. این جست‌وجو فیزیكدانان را به دنیای زیر اتمی می‌برد؛ جایی كه قوانین عجیب مكانیك كوانتومی تعیین می‌كند كه همه چیز (از جمله ماده تاریك)، هم به شكل ذره و هم موج وجود دارد .

WIMP-ها سنگین هستند، بنابراین رفتاری شبیه به ذرات نامناسب دارند؛ مانند توپ‌های بولینگی كه به توپ‌های پینگ‌پنگ برخورد می‌كنند. اكسیون‌ها در انواع مختلفی وجود دارند. آن‌هایی كه می‌توانند نقش ماده تاریك را ایفا كنند، سبك‌وزن هستند و اساساً مانند امواج عمل می‌كنند .

اكسیون‌ها با همین جرم كم، از مدت‌ها پیش خارج از دسترس حوزه‌ی تجربی محسوب شده‌اند. اما پیشرفت‌ها در محاسبات كوانتومی و كرایوژنیك‌، جست‌وجوی اكسیون‌ها را ممكن‌تر كرده است.بیشتر بخوانیدذرات بنیادی؛ از پل دیراك تا ریچارد فاینمنچین می‌خواهد در كشف یكی از بزرگ‌ترین اسرار فیزیك ذرات پیشگام باشدآیا ذرات واقعاً می‌توانند هم‌زمان در دو مكان وجود داشته باشند؟در سال ۱۹۸۳، «پی‌یر سیكوی»، فیزیكدان دانشگاه فلوریدا، ادعا كرد كه در یك میدان مغناطیسی قوی، اكسیون می‌تواند به فوتون، ذره‌‌ی منتقل‌كننده‌ی نور تبدیل شود .

این بینش پایه‌گذار آزمایش‌هایی مانند ADMX شد. دكتر ریبكا گفت: «امروزه معتبرترین روش برای جست‌وجوی اكسیون‌ها استفاده از بزرگ‌ترین و قوی‌ترین آهنربایی است كه می‌توانید پیدا كنید.» ADMX برپایه‌ی یك آهنربای الكترومغناطیسی ابررسانا ساخته شده كه صدهزار برابر برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است و درون یك محفظه بزرگ مسی قرار دارد كه تا یك دهم درجه بالای صفر مطلق خنك شده است .

وقتی یك اكسیون با اندازه مناسب وارد این حفره مغناطیسی می‌شود، باعث تولید مجموعه‌ای از امواج مایكروویو می‌شود كه محفظه را دچار تشدید می‌كند. دانشمندان توسط آزمایش‌هایی مانند ADMX به آشكارسازی اكسیون‌ها نزدیك شده‌انددكتر ریبكا آزمایش ADMX را با رادیو مقایسه كرد: «آرام آرام دكمه را بچرخانید و فركانس تشدید محفظه را تغییر دهید .

سپس به اصوات گوش دهید تا ایستگاه (همان ذره) مورد نظر خود را پیدا كنید.» او گفت فركانس امواج مایكروویو به جرم اكسیون بستگی دارد.آزمایش‌هایی مانند ADMX قبلاً ثابت كرده‌اند كه اكسیون‌هایی با جرم‌های خاص وجود ندارند؛ اما دامنه وسیعی برای كاوش باقی مانده است .

دكتر زاگوراك گفت: «اگر شما در آن جعبه شنی بازی كنید، واقعاً جعبه سرگرم‌كننده‌ای برای بازی كردن پیدا كرده‌اید.» او سپس به عدم محدودیت‌هایی اشاره كرد كه به همراه دیگر نظریه‌پردازان در پیشنهاد انواع جدید اكسیون‌ها دارد: «اما اگر سعی دارید سوزنی را در آن جعبه شنی پیدا كنید، موفق باشید .

»به عبارت دیگر، تجربه‌گرایان مسیر بسیار دشواری پیش‌رو دارند. تیم ADMX در سال ۲۰۱۸، پس از ۲۰ سال فعالیت اعلام كرد آزمایش آن‌ها بالاخره به حد كافی از پیشرفت رسیده تا شروع به بررسی جرم‌های نظری امیدواركننده برای اكسیون‌های ماده تاریك كنند .

دكتر ریبكا گفت: «هر روز ممكن است به كشف دست پیدا كنیم، زیرا ما فقط داریم آن فركانس را آرام آرام تنظیم می‌كنیم.»كپی لینكگوش‌سپردن به كیهاندرحال حاضر، جست‌وجوی اكسیون‌ها ممكن است به آزمایشگاه‌ها محدود باشد .

اما دانشمندان فكر می‌كنند كه روزی ممكن است در فضای بیرونی قابل شناسایی باشند. دكتر دی‌مپلوس گفت: «یك راه وجود دارد كه اخترفیزیك بتواند این ذره را تولید كند، حتی اگر ماده تاریك نباشد.» در فرآیندی كه «ابرتابش» نام دارد، اكسیون‌های با اندازه خاص می‌توانند انرژی را از سیاه‌چاله‌های چرخان جذب كنند .

این رویداد می‌تواند به كاهش اندازه‌ی بعضی از سیاه‌چاله‌هایی منجر شود كه توسط آشكارسازهایی مانند «رصدخانه امواج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری» (لایگو) مشاهده می‌شوند. یك مطالعه‌ی جدید پیشنهاد می‌كند كه توده‌های اكسیون در مغناطیس‌سپهر ستاره‌های متغیر می‌توانند مانند نسخه‌ای طبیعی و فضایی از آزمایش ADMX، به امواج مایكروویو تبدیل شوند .

سپس سیگنال‌های منتشرشده از این پدیده را می‌توان با استفاده از تلسكوپ‌های رادیویی روی زمین اندازه‌گیری كرد.اكسیون‌ها حتی ممكن است توسط خورشید تولید شوند و توسط آزمایش‌هایی مانند «تلسكوپ خورشیدی اكسیون سرن» (CAST) در سوئیس جست‌وجو می‌شوند .

اكسیون‌ها می‌توانند در كیهان، توسط سیاه‌چاله‌ها و حتی خورشید نیز تولید و شناسایی شوند«آرون مانالاسای»، محقق WIMP در «آزمایشگاه ملی لارنس بركلی»، درباره اكسیون‌های خورشیدی گفت: «ما نمی‌دانیم آیا آن‌ها نیز ماده تاریك هستند یا چیز دیگر .

اما خواهیم دانست كه جهان اجازه‌ی وجود این ذره را می‌دهد یا خیر.»یك احتمال جذاب دیگر به نام «ماده تاریك مبهم»، تخیل برخی كیهان‌شناسان را در دست گرفته است. در یك كهكشان، اكسیون‌های فوق سبك با طول موج‌هایی تا صدها سال نوری ممكن است با یكدیگر تداخل كنند و رشته‌ها و گره‌های كوچكی در بخش مشاهده‌پذیر كهكشان باقی بگذارند .

دكتر «جرمی اوستریكر»، اخترفیزیكدان «دانشگاه كلمبیا» گفت ستاره‌هایی كه از این ناحیه در فضازمان عبور می‌كنند، انرژی را به كهكشان پرتاب خواهند كرد و به نوسانات در روشنایی آن منجر خواهند شد. سپس افزود: «من اكسیون‌ها را دوست دارم زیرا آنها ستاره‌ها را گرم می‌كنند .

» اما تاكنون اكسیون‌های فوق سبك، عشق دكتر اوستریكر را پاسخ نداده‌اند. آنها همچنان گم شده‌اند و ویژگی‌های مبهمشان برای تفكیك با تلسكوپ‌های نوری امروزی بسیار كوچك است. یكی از نقص‌های تمام این مدل‌ها، فرضیه وجود تنها یك نوع ماده تاریك در جهان است .

چرا باید سمت تاریك جهان، جذابیت یا پیچیدگی كمتری از آنچه ما مشاهده می‌كنیم، داشته باشد؟ بنابراین هنوز نتیجه‌ای گرفته نشده و جهان كاملاً باز است. دكتر زاگوراك مطمئن نیست كه آیا اكسیون‌ها یا هر نوع ماده تاریكی در طول عمرش كشف خواهند شد یا خیر .