فیزیکدانان در حال تقلا هستند تا سیگنال احتمالی ماده تاریک را بفهمند

آشکارساز اصلی LUX-ZEPLIN در آزمایشگاه سطح قبل از نصب در زیر زمین

ممکن است بالاخره یک ذره ماده تاریک را شناسایی کرده باشیم - اما فهمیدن اینکه دقیقا چه نوع ذره ای بود، کار سختی است. حتی در حالی که محققان در تلاش برای تأیید اینکه واقعا یک ذره ناشناخته را شناسایی کرده‌اند، فیزیکدانان در سراسر جهان از قبل شروع به بررسی نوع ذره ماده تاریک کرده‌اند.

ذره بالقوه مورد بحث در آشکارساز LUX-ZEPLIN (LZ) در داکوتای جنوبی پیدا شد و در 1 سپتامبر اعلام شد. این آشکارساز از مخزن بزرگی از زنون مایع برای جستجوی نشانه‌هایی از ذرات ماده تاریک در حال برخورد به هسته‌های اتم‌های زنون استفاده می‌کند که انتظار می‌رود در پاسخ به هرگونه برخوردی که توسط آرایه‌های دوربین‌های اطراف مخزن گرفته می‌شود، انفجاری از نور تولید کند.

گروه LZ تنها یک انفجار نوری را ثبت کرد، و تقریبا 1 در 200 احتمال وجود دارد که سیگنال یک رویداد تصادفی باشد نه شواهدی مبنی بر وجود ماده تاریک - اما با این وجود وسوسه انگیز است.

چیزی که سیگنال را حتی جذاب‌تر می‌کند این است که اگر ذره یک ذره سنگین استاندارد با برهمکنش ضعیف یا WIMP، ساده‌ترین نوع ماده تاریک پیشنهادی باشد، انرژی بالاتری نسبت به انتظار داشت. هنینگ فلچر از دانشگاه بریستول در بریتانیا، بخشی از گروه LZ، می‌گوید: «این یک رویداد غیرعادی است. "این چیزی نیست که شما از کلی ترین مدل های ماده تاریک انتظار دارید." او می‌گوید این واقعیت که این رویداد پرانرژی، بدون برخورد با انرژی پایین‌تر مشاهده شده است، بسیار بعید می‌سازد که این ذره، در صورت وجود، یک WIMP «وانیلی» باشد.

در هفته‌های پس از اعلام، نظریه‌پردازان تعداد زیادی مقاله منتشر کرده‌اند که در داده‌ها به جستجوی پاسخ می‌پردازند. جوری اسمیرنوف از دانشگاه لیورپول در بریتانیا می گوید: «تعداد زیاد مقالات کمتر بیانیه ای است که نظریه پردازان معتقدند این رویداد یک کشف ماده تاریک [واقعی] است و بیشتر بازتابی از این واقعیت است که اگر ادامه یابد، انرژی آن در حال حاضر چیزهای زیادی را در مورد انواع فرآیندهای فیزیکی که می توانند آن را تولید کنند به ما می گوید.

بسیاری از این مقالات در مورد این احتمال بحث می کنند که این ذره می تواند چیزی باشد که هیگزینو نامیده می شود، نوعی WIMP غیر "وانیلی". این از یک چارچوب نظری به نام ابرتقارن ناشی می‌شود، که در آن هر ذره شناخته شده دارای یک «ابر شریک» با برخی ویژگی‌های مشابه اما اسپین متفاوت است. در ابر تقارن، هیگزینو ابر شریک بوزون هیگز خواهد بود.

به گفته JiJi Fan در دانشگاه براون در رود آیلند، هیگزینو ساده ترین توضیح WIMP است که هنوز برای توضیح سیگنال LZ در دسترس است. "این به تعداد زیادی سیگنال منجر می شود که می توان آنها را در مرزهای آزمایشی مختلف جستجو کرد." به‌علاوه، پیش‌بینی می‌شود که یک رویداد تشخیص هیگزینو با مجموعه‌ای از برخوردهای کم‌انرژی همراه نباشد، که با سیگنال شناسایی‌شده توسط گروه LZ مطابقت دارد.

با این حال، هیگزینو مشکلات خود را دارد. به نظر می رسد ابتدایی ترین مدل از آن نوع ذرات که می تواند تشخیص LZ را توضیح دهد با محدودیت های دیگر آزمایش ها رد شده است. این بدان معنا نیست که این ذره نمی‌تواند هیگیسینو باشد، اما نشان می‌دهد که هیگیسینوی مورد نظر باید جرمی بسیار بالاتر از حد انتظار داشته باشد.

اگرچه بسیاری از مدل‌های دیگر برای توضیح تشخیص پیشنهاد شده‌اند. در میان آنها چندین مدل از ذرات ماده تاریک وجود دارد که در ابعاد اضافی منشا می گیرند. لیزا رندال از دانشگاه هاروارد، یکی از نویسندگان یکی از این مقاله‌ها، می‌گوید در حالی که ممکن است این یک خط تحقیق غیرضروری پیچیده به نظر برسد، این مدل‌ها قبلا برای حل مسائل دیگر در فیزیک ذرات مورد مطالعه قرار گرفته بودند. به نظر می‌رسد که داده‌ها از برخی منظرها چیزی شبیه به این را فرا می‌خوانند: از محدودیت‌های از پیش موجود اجتناب می‌کند و کاملا طبیعی است.»

او می‌گوید که یک کاندید ماده تاریک فوق‌بعدی هم می‌تواند با تشخیص LZ همخوانی داشته باشد و هم توضیح دهد که چرا ذرات بنیادی جرم‌هایی را دارند که دارند، یک معمای طولانی مدت. مدل‌های دیگر یک بخش کامل ماده تاریک را با انواع مختلفی از ذرات تاریک پیشنهاد می‌کنند.

در حال حاضر، هیچ راهی برای تشخیص اینکه کدام یک از این مدل ها ممکن است صحیح باشد وجود ندارد. اسمیرنوف می‌گوید: «فکر نمی‌کنم داده‌ها در حال حاضر توجیه کنند که یکی از اینها «توضیح» است. او می‌گوید که برخی از آن‌ها با پیش‌بینی‌های اضافی همراه هستند، که به ویژه در هنگام تلاش برای بررسی ایده‌های بسیار مفید خواهد بود.

در حالی که تیم LZ و سایر تیم‌های آشکارساز در سراسر جهان به تجزیه و تحلیل داده‌های خود ادامه می‌دهند و به دنبال رویدادهای اضافی برای تأیید واقعی بودن ذره ماده تاریک هستند، همه این ایده‌ها می‌توانند به آنها کمک کنند تا بدانند دقیقا به دنبال چیست. فن می گوید: همانطور که همه ما می دانیم، ناهنجاری ها می توانند بیایند و بروند. برداشت من این است که آنها اهداف مشخصی را در اختیار ما قرار می دهند تا فکر کنیم: آیا این مورد انتظار می رود؟ آیا قلمروها/سوالات جدیدی در تئوری یا آزمایش هایی وجود دارد که باید آنها را پوشش دهیم؟ مهم نیست که رویداد LZ تایید شود، برخی از این موضوعات منجر به تحقیقات طولانی مدت می شود.