آیا تا به حال به آسمان شب نگاه کردهاید و به این فکر افتادهاید که چه چیزهایی را نمیبینید؟ آسمان ممکن است پر از «ستارههای بوزونی» نامرئی باشد؛ اجرامی که از نوعی ماده عجیب ساخته شدهاند و هیچ نوری از خود منتشر نمیکنند.
ما به شدت مشکوکیم که جهان پر از ماده تاریک است؛ مادهای که حدود ۲۵ درصد از کل جرم و انرژی جهان را تشکیل میدهد. اگرچه شواهد غیرمستقیم زیادی برای وجود ماده تاریک وجود دارد و باور داریم که ماده تاریک نوعی ذره ناشناخته است، اما هنوز هیچ شواهد مستقیمی برای وجود چنین ذرهای نداریم.
برای چند دهه، تصور میکردیم که در مسیر درستی قرار داریم و ماده تاریک نوعی ذره جدید به نام «ذره سنگین با برهمکنش ضعیف» یا WIMP است. این ذره که در نظریههای ابرتقارن پیشبینی شده بود، جرمی در حدود ذرات سنگین شناختهشده مانند کوارک بالا داشت، اما تقریباً نامرئی بود و تنها گاهی با ماده عادی برهمکنش میکرد.
اما جستجوها برای یافتن WIMPها هیچ نتیجهای نداشت. این موضوع قابلقبول است؛ طبیعت الزامی ندارد که با حدس اول ما همسو باشد. خوشبختانه، کاندیدای دیگری برای ذره ماده تاریک داریم: آکسیون.
آشنایی با آکسیون: فرصتی برای سرمایهگذاری هوشمند
آکسیون برای حل مشکلی پیچیده در نیروی هستهای قوی معرفی شد. بر اساس همه مشاهدات، نیروی قوی از دو تقارن مهم طبیعت پیروی میکند: بار و تقارن آینهای (پاریتی). این تقارنها بدین معناست که اگر در یک برهمکنش نیروی قوی، بار همه ذرات را معکوس کنیم و واکنش را در آینه مشاهده کنیم، نتیجه یکسان خواهد بود.
اما هیچ دلیلی در نظریه وجود ندارد که چرا این تقارنها باید رعایت شوند. فیزیکدانان تلاش کردند با افزودن یک پارامتر جدید به معادلات و صفر کردن آن، این مشکل را حل کنند، اما این روش چندان طبیعی به نظر نمیرسید. سپس راهحلی خلاقانه ارائه شد: شاید این پارامتر جدید، نمایانگر یک میدان کوانتومی جدید باشد که تعامل با آن میدان بهطور طبیعی این تقارنها را ایجاد میکند.
این میدان جدید، آکسیون نامیده شد؛ نامی که از یک برند مایع ظرفشویی الهام گرفته شده بود، زیرا این نظریه “مشکل تقارن” را تمیز میکرد.
ویژگیهای کلیدی آکسیونها: نگاهی به اصول و کاربردها
اگر آکسیونها وجود داشته باشند، کاندیدای بسیار مناسبی برای ماده تاریک هستند، زیرا بهوفور یافت میشوند و تقریباً هرگز با ماده عادی برهمکنش ندارند. اما آکسیونها ویژگیهای شگفتانگیز دیگری نیز دارند:
- جرم بسیار ناچیز: آکسیونها به طرز باورنکردنی سبک هستند؛ تریلیونها برابر سبکتر از نوترینو، که سبکترین ذره شناختهشده است. این جرم کم باعث میشود طبیعت موجی کوانتومی آنها در مقیاسهای ماکروسکوپی قابل مشاهده باشد. در حالی که همه ذرات موج همراه خود دارند، این امواج معمولاً تنها در سیستمهای کوانتومی زیراتمی مهم هستند. اما در مورد آکسیونها، طول موج میتواند به اندازه یک کهکشان گسترده شود.
- ماهیت بوزونی: آکسیونها نوعی ذره بوزونی هستند. بوزونها میتوانند همگی در یک حالت کوانتومی قرار بگیرند؛ به این معنا که میتوان تعداد زیادی از آنها را در یک فضای فشرده جا داد. این ویژگی مشابه فوتونها است (میتوان هر میزان نور را در یک جعبه جا داد) اما متفاوت از ذراتی مانند الکترونها است (که محدودیت تعداد در یک حجم معین دارند).
ستارههای بوزونی: دنیای عجیب و شگفتانگیز ذرات بنیادی
این دو ویژگی باعث میشود که آکسیونها به راحتی بتوانند تحت نیروی گرانش خودشان به چگالیهای بسیار بالا فروپاشند و شکلی شبیه به ستاره تشکیل دهند. این «ستارهها»، که به نامهای مختلفی مانند ستارههای آکسیونی، ستارههای بوزونی و ستارههای تاریک شناخته میشوند، کاملاً نامرئی هستند، هیچ نوری تابش نمیکنند و با محیط اطرافشان برهمکنش ندارند، اما همچنان میتوان آنها را نوعی ستاره دانست.
این ستارهها میتوانند کوچک باشند و جرمی مشابه ستارههای عادی داشته باشند یا بسیار بزرگ باشند و کل هسته یک کهکشان را در بر بگیرند.
چالشها و فرصتها
وجود احتمالی ستارههای بوزونی یک شمشیر دو لبه است. از یک سو، میتواند تشخیص مستقیم آکسیونها را بسیار دشوار کند. مگر اینکه یکی از این ستارهها بهطور تصادفی از منظومه شمسی عبور کند، احتمال مشاهده آنها با آشکارسازها بسیار پایین است.
از سوی دیگر، این ستارهها میتوانند پدیدههای جالبی ایجاد کنند که قابل شناسایی باشند؛ مثلاً اختلال در همجوشی هستهای در هسته ستارهها یا حتی انفجارهایی که به «بوزنووا» معروف هستند.
نتیجهگیری
ما هنوز نمیدانیم آیا آکسیونها وجود دارند یا اگر وجود داشته باشند، آیا مسئول ماده تاریک هستند یا نه. اما تصور جهانی که پر از ستارههای خاموش، نامرئی و بیضرر است، هیجانانگیز است.
