آیا ماده تاریک را به صورت ذره مشاهده خواهیم کرد یا موج؟

بخشی از آشکارساز Lux-Zeplin در مرکز تحقیقات زیرزمینی سنفورد

چند سال پیش، من روی سندی کار می‌کردم که توسط سیاست‌گذاران ایالات متحده خوانده می‌شد و در مورد چگونگی چارچوب‌بندی هدفمان بحث‌های داخلی داشتیم. آیا باید بگوییم که امیدواریم ماده تاریک را کشف کنیم؟ نه، ما در نهایت به این نتیجه رسیدیم، زیرا در واقع قبلا این کار را انجام داده بودیم. ما قبلا با استفاده از چندین نوع رصد اخترفیزیکی، از جمله حرکات ستارگان در کهکشان‌ها، ماده تاریک را کشف کرده‌ایم، که نشان‌دهنده وجود پدیده‌ای ظاهرا نامرئی مانند ماده است که از طریق گرانش و نه به‌طور محسوس از طریق هیچ نیروی دیگری برهم‌کنش می‌کند.

هنگامی که از سپیده دم به نور نگاه می کنیم، زمانی که آزادانه در جهان پرواز می کند، تنها در صورتی می توانیم مشاهدات خود را با نظریه های کیهان شناسی مطابقت دهیم که فرض کنیم ماده تاریک وجود دارد.

ما متوجه شدیم که آنچه واقعا می خواهیم بگوییم این است که می خواهیم بفهمیم ماده تاریک چیست. ما قبلا می دانیم که بیشتر مواد گرانشی در جهان یک ماده نامرئی است که با سرعتی در حدود پنج به یک از ماده مرئی بیشتر است. اگرچه این اطلاعات مفیدی است، اما به سختی جزئیات زیادی را به ما می گوید، و بسیاری از نظریه های فیزیک ذرات می توانند این مشاهدات اخترفیزیکی را توضیح دهند. بنابراین، این سوال پیش می‌آید که چگونه تفاوت بین مدل‌های مختلف ماده تاریک را تشخیص دهیم. و برای حل آن، شیطان در جزئیات است.

مطمئنا، یک رویکرد این است که به دنبال شواهدی مبنی بر تعامل ماده تاریک در اینجا روی زمین باشید. ممکن است اخبار اخیر را در مورد آزمایش LUX-ZEPLIN (LZ) دیده باشید، که یک نقطه داده واحد را اعلام کرد که می تواند نشان دهنده یک ذره ماده تاریک در تعامل با هسته اتم باشد. اگر این نتیجه ثابت شود - و از نظر آماری بسیار با اهمیت فاصله دارد - اولین شواهدی است که ماده تاریک از طریق نیروهای هسته ای برهم کنش می کند. همچنین مستقیم ترین نگاه ما به چیستی ماده تاریک خواهد بود.

در غیاب داده های اساسی در آزمایشگاه، ما همچنان به مشاهدات اخترفیزیکی وابسته هستیم. در این مورد، ما باید چگونگی استفاده از داده‌هایی را که به نظر می‌رسد در سطح با ذرات فرضی مختلفی که می‌توانند ماده تاریک را می‌سازند، مطابقت داشته باشند، بیابیم. به عنوان مثال، LZ به دنبال ذرات عظیم با تعامل ضعیف (WIMP) است. در همین حال، من بیشتر زمان تحقیقم را بر روی دسته ای از ذرات با مجموعه ای از ویژگی های بسیار متفاوت از WIMP ها متمرکز می کنم که اکسیون نامیده می شوند.

در حالی که WIMP ها در کهکشان ها به شکل ذره ای ظاهر می شوند، آکسیون ها بیشتر به صورت امواج رفتار می کنند. این بازتابی از اصل دوگانگی موج-ذره است که به ما می گوید همه ذرات از دیدگاه فیزیک کوانتومی نیز موج هستند. انتظار می‌رود که با آکسیون‌ها، ماهیت موج مانند آنها در داده‌های اخترفیزیکی، از جمله مشاهدات کهکشان‌های کوتوله و تشعشعات پس‌زمینه ریزموج کیهانی، آشکار شود. امضای آنها گاهی باید متفاوت از آنچه ما انتظار داریم با WIMP ها ببینیم به نظر برسد.

برای اینکه بتوانیم بفهمیم که آیا ماده تاریک از اکسیون ها به جای WIMP ساخته شده است یا نه، ابتدا باید شبیه سازی های کامپیوتری را اجرا کنیم که نشان می دهد داده ها ممکن است برای یکی یا دیگری چه شکلی باشند. فقط در این صورت است که می توانیم ببینیم مشاهدات ما مطابقت دارند یا خیر. و ما اغلب مجبوریم برای انجام محاسبات خود فرضیات ساده سازی کنیم. اینجا جایی است که شیطان ظاهر می شود.

در دو پیش‌چاپ جدید که در ماه سپتامبر با هوانگ نهان لو در دانشگاه نیوهمپشایر منتشر کردم، یک مدل محوری را مطالعه می‌کنیم که از فرضیات ساده‌سازی که در جامعه پژوهشی ما رایج است عبور می‌کند. کار ما نشان می‌دهد که این مدل - که توسط یک تیم بین‌المللی که شامل تعدادی از همکاران سابق MIT است - توسعه یافته است - ممکن است شبیه‌سازی‌ها را سریع‌تر و دقیق‌تر کند. این نوع کار بعید است که تیتر اخبار شود، اما کاری را انجام می دهد که علم به آن نیاز دارد.

این به ایجاد شرایطی کمک می کند که در نهایت از کشف ماده تاریک عبور کرده و به درک واقعی آن بپردازیم.