مطالعه‌ای جدید می‌تواند بهترین توضیح تا به امروز برای ماده تاریک ارائه دهد

در کوچک‌ترین مقیاس ذرات بنیادی، مدل استاندارد فیزیک ذرات مبنای درک ما را فراهم می‌کند.
در مقیاس کیهانی، بخش عمده‌ای از درک ما بر پایه «مدل استاندارد کیهان‌شناسی» است.
این مدل، که بر نظریه نسبیت عام اینشتین استوار است، پیشنهاد می‌کند که بیشتر جرم و انرژی جهان از مواد مرموز و نامرئی‌ای به نام ماده تاریک (که ۸۰ درصد ماده جهان را تشکیل می‌دهد) و انرژی تاریک تشکیل شده است.
در چند دهه گذشته، این مدل توانسته طیف وسیعی از مشاهدات مربوط به جهان ما را به‌خوبی توضیح دهد.
با این حال، هنوز نمی‌دانیم ماده تاریک از چه چیزی تشکیل شده است – تنها چیزی که می‌دانیم این است که ماده تاریک به واسطه نیروی گرانشی‌ای که بر خوشه‌های کهکشانی و سایر ساختارها اعمال می‌کند، وجود دارد.
تا کنون ذرات مختلفی به‌عنوان گزینه‌های احتمالی پیشنهاد شده‌اند، اما نمی‌توانیم با اطمینان بگوییم کدام ذره یا ذرات ماده تاریک را تشکیل می‌دهند.

اکنون مطالعه جدید ما – که نشان می‌دهد ذرات بسیار سبکی به نام نوترینو احتمالاً بخشی از ماده تاریک را تشکیل می‌دهند – درک فعلی ما از ترکیب آن را به چالش می‌کشد.

ماده تاریک گرم در برابر سرد

مدل استاندارد بر این باور است که ماده تاریک «سرد» است. به این معنا که از ذرات نسبتاً سنگینی تشکیل شده که حرکت اولیه‌شان آهسته بوده است.
در نتیجه، این ذرات به راحتی می‌توانند در کنار هم قرار گرفته و ساختارهایی که با گرانش به هم متصل‌اند، تشکیل دهند.
بنابراین، این مدل پیش‌بینی می‌کند که جهان باید پر از «هاله‌های» کوچک ماده تاریک باشد که برخی از آنها به مرور با یکدیگر ادغام شده و سامانه‌های بزرگ‌تری تشکیل می‌دهند – که باعث می‌شود جهان «توده‌ای» شود.

با این حال، احتمال اینکه حداقل بخشی از ماده تاریک «گرم» باشد، منتفی نیست.
این نوع ماده تاریک شامل ذرات نسبتاً سبکی است که سرعت‌های بسیار بالایی دارند – به این معنا که این ذرات می‌توانند به راحتی از مناطق چگال مانند کهکشان‌ها فرار کنند.
این امر تجمع ماده جدید را کند کرده و به جهانی منجر می‌شود که تشکیل ساختار در آن سرکوب شده است (کمتر توده‌ای است).

نوترینوها، که با سرعت بسیار بالا حرکت می‌کنند، گزینه خوبی برای ماده تاریک گرم هستند.
به‌ویژه، آنها نوری تابش یا جذب نمی‌کنند – که باعث می‌شود «تاریک» به نظر برسند.
مدت‌ها تصور می‌شد که نوترینوها، که در سه نوع مختلف وجود دارند، بدون جرم هستند.
اما آزمایش‌ها نشان داده‌اند که نوترینوها می‌توانند از یک نوع به نوع دیگر تغییر کنند (نوسان کنند).
مهم‌تر از همه، دانشمندان نشان داده‌اند که این تغییر مستلزم داشتن جرم است – که آنها را به گزینه‌ای معتبر برای ماده تاریک گرم تبدیل می‌کند.

در دهه‌های اخیر، با این حال، هم آزمایش‌های فیزیک ذرات و هم دلایل اخترفیزیکی مختلف نشان داده‌اند که نوترینوها نمی‌توانند بیشتر ماده تاریک جهان را تشکیل دهند.
علاوه بر این، مدل استاندارد فرض می‌کند که جرم نوترینوها (و ماده تاریک گرم به طور کلی) آنقدر کم است که سهم آنها در ماده تاریک را می‌توان به طور کامل نادیده گرفت (در اکثر موارد این سهم برابر صفر فرض می‌شود).

تصویر در حال تغییر

در سال‌های اخیر، کمیت و کیفیت مشاهدات کیهان‌شناختی به شدت افزایش یافته است.
یکی از برجسته‌ترین نمونه‌ها، ظهور «مشاهدات عدسی‌های گرانشی» بوده است.
نسبیت عام می‌گوید ماده، فضا-زمان را خم می‌کند به‌گونه‌ای که نور کهکشان‌های دور توسط اجرام سنگین میان ما و کهکشان‌ها منحرف می‌شود.
ستاره‌شناسان می‌توانند این انحراف را اندازه‌گیری کرده و رشد ساختارها (توده‌ای بودن) را در جهان در طول زمان کیهانی برآورد کنند.

این داده‌های جدید راه‌های متعددی برای آزمایش دقیق پیش‌بینی‌های مدل استاندارد در اختیار کیهان‌شناسان قرار داده است.
تصویری که از این مقایسه‌ها پدیدار می‌شود نشان می‌دهد که توزیع جرم در جهان کمتر از آن چیزی است که در صورت وجود ماده تاریک کاملاً سرد باید باشد.

مطالعه جدید ما که بزرگ‌ترین مجموعه شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای از ماده تاریک و ماده معمولی را تولید کرده است (موسوم به BAHAMAS)، نشان می‌دهد که تناقض بین داده‌های رصدی جدید و مدل ماده تاریک سرد حتی بزرگ‌تر از آن چیزی است که قبلاً اعلام شده بود.

نتایج ما نشان می‌دهد که نوترینوها حدود ۳ تا ۵ درصد از کل جرم ماده تاریک را تشکیل می‌دهند.
این مقدار برای توضیح سازگار طیف گسترده‌ای از مشاهدات – از جمله اندازه‌گیری‌های جدید عدسی‌های گرانشی – کافی است.
تحقیقات ما همچنین ممکن است به حل معمای جرم یک نوترینو منفرد کمک کند.
با توجه به یافته‌های ما، جرم نوترینو باید حدود ۰.۳ تا ۰.۵ الکترون‌ولت باشد.
این مقدار به طرز وسوسه‌انگیزی نزدیک به مقادیری است که می‌توان در آزمایش‌های آتی فیزیک ذرات اندازه‌گیری کرد.

اگر این اندازه‌گیری‌ها با جرم‌های شبیه‌سازی‌های ما مطابقت داشته باشد، این موضوع بسیار دلگرم‌کننده خواهد بود – زیرا تصویری سازگار از نقش نوترینوها به‌عنوان ماده تاریک، از بزرگ‌ترین مقیاس‌های کیهان‌شناسی تا کوچک‌ترین حوزه‌های فیزیک ذرات، ارائه می‌دهد.