دانشمندان از 2 روش کوانتومی جدید برای دستگیری افراد مشکوک به ماده تاریک استفاده می کنند

شکار ماده تاریک بسیار سردتر می شود. دانشمندان در حال توسعه فناوری کوانتومی فوق سرد برای شکار گریزان ترین و مرموزترین چیزهای جهان هستند که در حال حاضر یکی از بزرگترین اسرار علم را تشکیل می دهد.

با وجود این واقعیت که ماده تاریک از مقدار ماده معمولی در جهان ما حدود شش برابر بیشتر است، دانشمندان نمی دانند که چیست. این حداقل تا حدی به این دلیل است که هیچ آزمایشی که توسط بشر ابداع شده است تا به حال قادر به تشخیص آن نبوده است.

برای مقابله با این معما، دانشمندان چندین دانشگاه در سراسر بریتانیا به عنوان یک تیم متحد شده اند تا دو تا از حساس ترین آشکارسازهای ماده تاریکی را بسازند که تاکنون تصور شده است. هر آزمایش برای یک ذره فرضی متفاوت که می تواند ماده تاریک را تشکیل دهد، شکار می کند. اگرچه آنها برخی از کیفیت های یکسان دارند، اما برخی از ویژگی های کاملاً متفاوتی نیز دارند، بنابراین به تکنیک های تشخیص متفاوتی نیاز دارند.

تجهیزات مورد استفاده در هر دو آزمایش آنقدر حساس هستند که اجزا باید تا یک هزارم درجه بالای صفر مطلق سرد شوند، دمای تئوری و غیرقابل دسترس که در آن تمام حرکت اتمی متوقف می شود. این خنک‌سازی باید اتفاق بیفتد تا از تداخل یا «صدا» از اندازه‌گیری‌های فاسد دنیا جلوگیری شود.

Samuli Autti از دانشگاه لنکستر در بیانیه‌ای گفت: ما از فناوری‌های کوانتومی در دماهای بسیار پایین برای ساخت حساس‌ترین آشکارسازهای تا به امروز استفاده می‌کنیم. ‘هدف مشاهده مستقیم این ماده مرموز در آزمایشگاه و حل یکی از بزرگترین معماهای علم است.’

ماده تاریک چقدر دانشمندان را در سرما رها کرده است

ماده تاریک یک مشکل بزرگ برای دانشمندان است، زیرا با وجود اینکه حدود ۸۰ تا ۸۵ درصد کیهان را تشکیل می دهد، عملاً برای ما نامرئی باقی می ماند. این به این دلیل است که ماده تاریک با نور یا ماده «روزمره» برهمکنش نمی‌کند – و اگر اینطور باشد، این برهمکنش‌ها نادر یا بسیار ضعیف هستند. یا شاید هر دو. ما فقط نمی دانیم.

با این حال، به دلیل این ویژگی‌ها، دانشمندان می‌دانند که ماده تاریک نمی‌تواند از الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شود. و گربه همسایه همه چیزهای ‘عادی’ که ما می توانیم ببینیم.

تنها دلیلی که ما فکر می کنیم اصلا ماده تاریک وجود دارد، این است که این ماده مرموز جرم دارد. بنابراین، با گرانش تعامل دارد. ماده تاریک می تواند از طریق آن برهمکنش بر پویایی ماده معمولی و نور تأثیر بگذارد و امکان استنباط وجود آن را فراهم کند.

ستاره شناس ورا روبین وجود ماده تاریک را کشف کرد، که قبلا توسط دانشمند فریتز زویکی نظریه پردازی شده بود، زیرا او می دید که برخی کهکشان ها چنان سریع می چرخند که اگر تنها تأثیر گرانشی آنها از ماده باریونی قابل مشاهده باشد، از هم دور می شوند.با این حال، آنچه که دانشمندان واقعاً می‌خواهند، استنتاج نیست، بلکه تشخیص مثبت ذرات ماده تاریک است.

تصویر ترکیبی از خوشه گلوله، خوشه های کهکشانی در حال برخورد که به عنوان یکی از شواهد اولیه وجود ماده تاریک عمل می کند (اعتبار تصویر: اشعه ایکس: NASA/ CXC/ CfA/ M.Markevitch، نقشه نوری و عدسی: NASA/ STScI، Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe، نقشه لنز: ESO/WFI)

یکی از ذرات فرضی که در حال حاضر به عنوان مظنون اصلی ماده تاریک مطرح می شود، ‘اکسیون’ بسیار سبک است. دانشمندان همچنین بر این باورند که ماده تاریک می‌تواند از ذرات جدید عظیم‌تر (هنوز ناشناخته) با برهمکنش‌های بسیار ضعیفی تشکیل شده باشد که هنوز آنها را مشاهده نکرده‌ایم.

هم اکسیون ها و هم این ذرات ناشناخته برهمکنش های بسیار ضعیفی را با ماده نشان می دهند که از نظر تئوری می توان با تجهیزات کافی حساس تشخیص داد. اما دو مظنون اصلی یعنی دو تحقیق و دو آزمایش. این امر ضروری است زیرا جستجوهای فعلی ماده تاریک معمولاً بر روی جرم ذرات بین ۵ برابر تا ۱۰۰۰ برابر جرم یک اتم هیدروژن تمرکز می کنند. این بدان معناست که اگر ذرات ماده تاریک سبک تر باشند، ممکن است از دست بروند.

آزمایش Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology (QUEST-DMC) برای تشخیص برخورد ماده معمولی با ذرات ماده تاریک به شکل ذرات جدید ناشناخته ضعیف با برهمکنش ضعیف که جرمی بین ۱ تا چند برابر جرم دارند ابداع شده است. اتم هیدروژنQUEST-DMC از هلیوم-۳ ابر سیال، ایزوتوپ سبک و پایدار هلیوم با هسته‌ای متشکل از دو پروتون و یک نوترون استفاده می‌کند که در حالت کوانتومی ماکروسکوپی سرد می‌شود تا به حساسیت رکوردشکنی در شناسایی برهم‌کنش‌های فوق ضعیف دست یابد.

یک ماده تاریک فوق‌العاده خنک که شبکه آزمایشی کوانتومی را تشخیص می‌دهد در یخچالی آماده می‌شود که آن را تا یک هزارم درجه سرد می‌کند (اعتبار تصویر: https://www.lancaster.ac.uk/physics/outreach/royal-society-summer-science- نمایشگاه/)

با این حال، QUEST-DMC قادر به تشخیص آکسیون‌های بسیار سبک نیست، که طبق نظریه‌ها جرم‌هایی میلیاردها برابر سبک‌تر از اتم هیدروژن است. این همچنین به این معنی است که چنین اکسیون‌هایی با برهمکنششان با ذرات ماده معمولی قابل تشخیص نیستند.

با این حال، آنچه از نظر جرم کم است، آکسیون‌ها برای جبران تعدادشان در نظر گرفته شده‌اند، و این ذرات فرضی بسیار فراوان هستند. این بدان معناست که بهتر است این مظنونان ماده تاریک را با استفاده از یک امضای متفاوت جستجو کنید: سیگنال الکتریکی کوچک ناشی از فروپاشی اکسیون ها در یک میدان مغناطیسی.

اگر چنین سیگنالی وجود داشته باشد، تشخیص آن مستلزم کشش آشکارسازها به حداکثر سطح حساسیت مجاز توسط قوانین فیزیک کوانتومی است. این تیم امیدوار است که تقویت‌کننده کوانتومی «حسگرهای کوانتومی برای بخش پنهان» (QSHS) بتواند دقیقاً این کار را انجام دهد.

اگر در بریتانیا هستید، عموم می‌توانند آزمایش‌های QSHS و QUEST-DMC را در نمایشگاه علوم تابستانی دانشگاه لنکستر مشاهده کنند. بازدیدکنندگان همچنین می‌توانند ببینند که چگونه دانشمندان وجود ماده تاریک در کهکشان‌ها را با استفاده از ژیروسکوپ درون جعبه‌ای که به‌دلیل تکانه زاویه‌ای نامرئی به‌طور عجیبی حرکت می‌کند، استنباط می‌کنند.

علاوه بر این، این نمایشگاه دارای یک یخچال رقیق کننده روشنایی است که دمای بسیار پایین مورد نیاز فناوری کوانتومی را نشان می دهد، در حالی که مدل آشکارساز برخورد ذرات ماده تاریک آن نشان می دهد که اگر ماده تاریک با ماده و نور مانند ماده روزمره برهم کنش داشته باشد، جهان ما چگونه رفتار می کند.

مقالات این تیم در مورد جزئیات آزمایش‌های QSHS و QUEST-DMC در مجله The European Physical Journal C و در سایت مخزن مقاله arXiv منتشر شد.