بزرگترین آشکارساز ماده تاریک در حال محدود کردن نامزد ماده تاریک است

در سال ۱۳۹۰، دو آزمایش قبلی تشخیص ماده تاریک – زنون بزرگ زیرزمینی (LUX) و سوسوزن متناسب منطقه در گازهای نجیب مایع (ZEPLIN) – گرد هم آمدند تا آزمایش LUX-ZEPLIN (LZ) را تشکیل دهند. از زمان شروع عملیات، این همکاری حساس‌ترین جستجویی را که تا به حال برای ذرات عظیم متقابل ضعیف (WIMPs) – یکی از نامزدهای پیشرو ماده تاریک – انجام شده است. این همکاری شامل حدود ۲۵۰ دانشمند از ۳۹ موسسه در ایالات متحده، بریتانیا، پرتغال، سوئیس، کره جنوبی و استرالیا است.

روز دوشنبه ۵ شهریور، آخرین نتایج پروژه LUX-ZEPLIN در دو کنفرانس علمی به اشتراک گذاشته شد. این نتایج توسط دانشمندان دپارتمان فیزیک دانشگاه آلبانی، از جمله استادیاران سیسیلیا لوی و متیو اسزیداگیس (دو عضو آزمایش) مورد تمجید قرار گرفت. این آخرین نتیجه تقریباً پنج برابر حساس‌تر از نتیجه قبلی است و هیچ شواهدی از WIMP‌های بالاتر از جرم ۹ GeV/c2 پیدا نکرد. اینها بهترین محدودیت های موجود در WIMPS و گامی حیاتی در جهت یافتن جرم مرموز نامرئی است که ۸۵ درصد از کیهان را تشکیل می دهد.

آزمایش LZ توسط آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی (DoE) در مرکز تحقیقات زیرزمینی سانفورد در داکوتای جنوبی، در حدود ۱۵۰۰ متر (نزدیک به یک مایل) زیر سطح واقع شده است. این آزمایش بر یک آشکارساز فوق حساس ساخته شده از ۱۰ تن (۱۱ تن ایالات متحده) زنون مایع برای جستجوی سیگنال های گریزان ناشی از فعل و انفعالات هسته WIMP متکی است. در حالی که هنوز تشخیص مستقیم انجام نشده است، این آخرین نتایج به دانشمندان کمک کرده است تا جستجو را محدود کنند.

همانطور که لوی در بیانیه مطبوعاتی اخیر UofA توضیح داد:

ماده تاریک به ندرت با ماده معمولی تعامل دارد، اما ما دقیقا نمی دانیم چقدر به ندرت. روشی که ما آن را اندازه گیری می کنیم از طریق این مقطع است یا اینکه چقدر احتمال یک تعامل در آشکارساز ما وجود دارد. بسته به جرم یک ذره ماده تاریک، که هنوز نمی دانیم، برهمکنش درون آشکارساز کم و بیش محتمل است. آنچه نتایج جدید LZ به ما می‌گوید این است که ماده تاریک با ماده معمولی حتی کمتر از آنچه فکر می‌کردیم برهم‌کنش می‌کند و تنها ابزاری در جهان که به اندازه کافی برای اندازه‌گیری آن حساس است LZ است.

وجود و ماهیت ماده تاریک یکی از بزرگترین اسرار در اخترفیزیک مدرن است. وجود ماده تاریک که در ابتدا برای توضیح منحنی‌های چرخشی کهکشان‌ها پیشنهاد شد، برای پذیرفته‌شده‌ترین مدل کیهان‌شناسی – مدل ماده تاریک سرد لامبدا (LCDM) حیاتی است. متأسفانه، بر اساس تئوری های رایج، DM فقط با ماده معمولی (معروف به ‘درخشنده’) از طریق گرانش، ضعیف ترین از چهار نیروی اساسی، برهم کنش می کند. تشخیص این فعل و انفعالات به ابزارهای فوق العاده حساس و محیطی عاری از انرژی الکترومغناطیسی (از جمله گرما و نور) نیاز دارد.

در حالی که هیچ شناسایی مستقیمی انجام نشده است، آخرین نتایج از LZ دامنه احتمالات را برای یکی از نامزدهای پیشرو DM محدود کرده است. همانطور که Szydagis گفت:

معنای عبارت «بهترین آزمایش ماده تاریک جهان» اغلب اشتباه گرفته می‌شود، زیرا هنوز هیچ‌کس یک کشف قطعی و بدون ابهام انجام نداده است. با این حال، نتایج تهی جدید و سخت‌گیرانه‌تر مانندLZ هنوز برای علم بسیار ارزشمند هستند. UAlbany، به‌عنوان بخشی از همکاری چندملیتی که LZ است، کمک‌های مهمی در تضمین استحکام نتایج LZ انجام داده است که به همان ابتدای آزمایش بازمی‌گردد.

اگرچه DM برای ما ‘نامرئی’ باقی می ماند، وجود کشش گرانشی آن برای درک ما از کیهان اساسی است. برای مثال، شکل‌گیری و حرکت کهکشان‌ها به DM نسبت داده می‌شود و وجود آن برای توضیح ساختار مقیاس بزرگ و تکامل کیهان حیاتی است. اگر DM وجود نداشته باشد، پس درک ما از گرانش – همانطور که توسط نظریه نسبیت عام انیشتین توضیح داده شده است – اساسا اشتباه است و نیاز به تجدید نظر دارد. با این حال، نسبیت عام به طور تجربی بارها و بارها در طول قرن گذشته تأیید شده است.

بنابراین، محدود کردن جست‌وجوی ذره تشکیل‌دهنده آن برای اثبات درستی نظریه‌های بنیادین ما در مورد جهان حیاتی است. همانطور که لوی اشاره کرد، دانشمندان UAlbany بیش از یک دهه است که به LZ کمک کرده‌اند و کار آنها هنوز انجام نشده است! او گفت: ‘کار بر روی LZ همیشه بسیار هیجان انگیز است، حتی اگر هنوز کشف نکرده باشیم.’ «همه ما می دانیم که اگر آسان بود، شخص دیگری قبلاً آن را انجام می داد! من فکر می‌کنم در حال حاضر چیزی که ما باید از این نتیجه بگیریم این است که LZ تیم بزرگی از دانشمندان است، آشکارساز ما فوق‌العاده کار می‌کند، تجزیه و تحلیل ما بسیار قوی است، و ما به هیچ‌وجه به جمع‌آوری داده‌ها نزدیک نیستیم.»