Race Is on to Detect Dark Matter

مسابقه براي آشكارسازي ماده‌ي تاريك

  

در آزمايشگاه‌‌هاي زيرزميني عميق در سراسر جهان، يك مسابقه‌ي فناوري پيشرفته براي كشف ماده‌ي تاريك جريان دارد. اين ماده چسب كيهاني نامرئي است كه گمان مي‌رود مانع از متلاشي شدن كهكشان مي‌گردد.

 

            هر كسي كه سرشت ماده‌ي تاريك را كشف كند، نه تنها يكي از بزرگ‌ترين معماهاي علم جديد را حل خواهد كرد، بلكه جايزه‌ي نوبل را هم دريافت خواهد كرد. اما اين موضوع چيزي بيش از يك تمرين فكري است. رمزگشايي از ماده‌ي تاريك – همراه با شناخت بهتر نيروي اسرارآميز ديگري موسوم به انرژي تاريك – مي‌تواند سرنوشت عالم را مشخص سازد.

 

            جست‌وجوهاي قبلي اين ماده‌ي فرضي بي‌نتيجه بوده است. اما اين موضوع تعداد زيادي از گروه‌هاي پژوهشي را از لوله‌كشي در تاريكي معدن‌هاي متروك و تونل‌ها فقط براي نگاهي گذرا باز نداشته است.

 

            ماشين‌هاي آشكارسازي ماده‌ي تاريك فعلي بسيار توانمندتر از نسل‌هاي قبلي هستند، اما حتي بهترين آن‌ها هم نتوانسته‌اند نشانه‌اي از آن را بيابد. بسياري از گرو‌ه‌ها اكنون مشغول ساختن آشكارسازهاي بزرگ‌تر يا وررفتن با فناوري‌هاي جديد هستند تا به آن‌ها در اين جست‌وجوها كمك كند.

 

به گفته‌ي سين كارول (Sean Carroll ) فيزيكدان نظري انسيتوي فناوري كاليفرنيا كه نقشي در اين آزمايش‌ها ندارد، ما در عصر طلايي جست‌وجوي ماده‌ي تاريك هستيم. اوضاع براي دست يافتن به موفقيت مساعد به نظر مي‌رسد.

 

دانشمندان قبول دارند كه در مورد ماده‌ي تاريك هنوز در تاريكي قرار دارند. نظريه‌ي رايج آن است كه ماده‌ي تاريك از ذرات ريز عجيب باقي‌مانده از مهبانگ در 7/13 بيليون سال قبل تشكيل شده است. گمان مي‌رود كه اين ماده‌ي تاريك يك چهارم جرم عالم را تشكيل دهد و از اين رو تاريك خوانده مي‌شود كه نور يا گرما از خود گسيل نمي‌كند. اخترشناسان از كشمكش گرانشي آن با ستارگان و كهكشان‌ها به وجودش پي برده‌اند.

 

دانستن اين كه ماده‌ي تاريك وجود دارد با اين كه ماده چه چيزي هست تفاوت بسيار دارد. اغلب آزمايش‌ها در جست‌وجوي ذرات نظري موسوم به WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles ) ذرات سنگيني با برهم كنش ضعيف هستند كه نامزد اصلي ماده‌ي تاريك است.

 

ماشين‌هاي زيرزميني سفارشي همگي در انتظار لحظه‌ي نادري هستند كه يك WIMP به هسته‌ي اتم برخورد كند و سبب پس زني كشسان آن شود. آزمايش‌ها بايد در زيرزمين انجام شوند تا پرتوهاي كيهاني اخلالي در نتايج حاصل به وجود نياورند.

 

نيل اسپونر(Neil Spooner) پژوهگشر ماده‌ي تاريك دانشگاه شفيلد انگلستان اين موضوع را اين طور جمع‌بندي مي‌كند كه «وضعيت مثل جست‌وجوي سوزني در انبار كاه است كه در آن مي‌كوشيم تا كاه‌ها را كنار بزنيم. اما به فناوري بهتري نياز داريم كه رويداد موردنظرمان را بيرون بكشد و آشغال‌ها را كنار بگذارد.»

 

آزمايش‌هاي زيرزميني در يك معدن آهن متروك در هينه زوتا و در غارهايي در كانادا، انگلستان، فرانسه، ايتاليا، ژاپن، و روسيه در جريان هستند. ماه گذشته بنياد ملي علوم ايالات متحده يك معدن طلاي قديمي را در داكوتاي جنوبي به عنوان محل بزرگ‌ترين و عميق‌ترين آزمايشگاه‌هاي از اين نوع در جهان انتخاب كرد، بزرگ‌تر از شش برابر ساختمان امپاير استيت (Empire State Building) كه در زيرزمين قرارگرفته باشد. اين رقابتي بي‌امان است و فيزيكدانان در اين مورد بحث مي‌كنند كه كدام فناوري از همه بهتر است.

 

فناوري پيشگام چند سال اخير CDMS (Cryogenic dark matter Search) خوانده مي‌شود كه مخفف جست‌وجوي زمزاييك ماده‌ي تاريك است و در آن از بلورهاي سيلسيم و ژرمانيم فوق‌العاده سرد هر يك به اندازه‌ي يك گوي هاكي براي وارسي ارتعاش‌هاي افشاگر برخوردهاي Wimps  استفاده مي‌شود. ماشين‌هاي جديدتر از گازهاي نادري چون زنون يا فناوري‌هاي جديد مانند اتاقك‌هاي حباب مايع فوق گرم استفاده مي‌كنند.

 

به گفته‌ي يوان كولار() متخصص ذرات بنيادي در دانشگاه شيكاگو و عضو گروه موسوم به Coupp هيچ آزمايش يا آشكارسازي كامل براي ماده‌ي تاريك وجود ندارد. تمام آن‌ها داراي ويژگي‌هاي عجيب و محدوديت‌هاي مربوط به خود هستند.

 

دانشمندان متوجه هستند كه شايد در جريان بررسي يك واقعيت باشند. استيو اهلن ازدانشگاه بوستون مي‌گويد «اين امكان وجود دارد كه آزمايش شما هر قدر هم كه گسترده باشد به يافتن چيزي نينجامد» او كه با همكاراني از انستيوي فناوري ماساچوست و دانشگاه برانديز (Brandeis)كار مي‌كند اولين نمونه‌اي را مي‌سازد كه قرار است سال آينده در محلي كه هنوز مشخص نيست در زيرزمين گذاشته شود.

 

نشانه‌هاي نادرستي هم وجود داشته‌اند. در سال 2000 دانشمندان ايتاليايي كه در يك آزمايشگاه زيرزميني نزديك رشته كوه گران ساسو(Gram Sasso)كار مي‌كردند مدعي آشكارسازي يك سيگنال ماده‌ي تاريك شدند. اما هيچ كس موفق به بازتوليد اين نتيجه نشد و اين ادعاي مورد توجه جامعه‌ي علمي قرار نگرفت. از آن پس پژوهشگران ايتاليايي روي نسل دومي از آشكارسازها كار مي‌كنند و انتظار دارند كه در سال آينده نتيجه‌هاي جديدي به دست آورند.

 

بهار امسال يك گروه رقيب به رهبري النا اپرايل(Elena Aprile  ) از دانشگاه كلمبيا كه در گران ساسو هم كار مي‌كند با اعلام اين مطلب كه پروژه‌ي گاز مايع XNONIO  او حساس‌تر از آشكارساز CDMS است و نوفه‌هاي زمينه‌ي بيش‌تري را حذف مي‌كند همتايان خود را شگفت‌زده كرده است به گفته‌ي وي «هر چه حساسيت‌ بيش‌تر باشد، به حقيقت نزديك‌تر مي‌شويد.»

 

برنارد سادولت(Bernard Sadoulet) سخنگوي CDMS از دانشگاه كاليفرنيا اظهار داشت كه داشتن بيش از يك فناوري جست‌وجوي ماده‌ي تاريك به مقايسه‌ي نتايج جست‌وجوي ماده‌ي تاريك كمك مي‌كند. او اضافه كرد كه گروه وي از سال گذشته داده‌هايي را با آشكارسازي بزرگ‌تري آغاز كرده‌اند و انتظار مي‌رود كه دوباره امتياز داشتن بهترين حساسيت‌ را به دست آورند.

 

كاوش براي ماده‌ي تاريك به سال‌هاي 1930 بر مي‌گردد كه اخترشناس سوئيسي فريتس تسويكي(Fritz Zwicky) از كالتك با نگاه كردن در تلسكوپ خود و رصد حركت‌هاي آسماني نشان داد كه جرم گمشده‌اي در عالم وجود دارد. مدتي طول كشيد تا اين ايده مورد  توجه قرار بگيرد، اما اكنون با جديت فراوان در زيرزمين به دنبال ماده‌ي تاريك مي‌گردند.

 

ساخت آشكارسازهاي ماده تاريك پر هزينه است، اما بهتر كردن و به كار انداختن آن‌ها‌ از آن پرهزينه‌تر است. تأمين مالي بسياري از اين طرح‌ها را منابع مختلف به عهده دارند. مثلاً بنياد ملي علوم ايالات متحده از سال مالي 2000 حدود 21 ميليون دلار را خرج طرح‌هايي مانند CDMS  و XENON10 كرده است.

 

دانشمندان در فضا هم به دنبال ماده‌ي تاريك مي‌گردند. ناسا قصد دارد سال 20008 تلسكوپ GLAST را به فضا پرتاب كند تا فوران‌هاي پرتوگاما را بررسي كند كه ممكن است ناشي از برخورد با ماده‌ي تاريك باشند و دانشمندان مي‌توانند ماده‌ي تاريك را در آزمايشگاه‌هايي چون برخورد دهنده‌ي بزرگ‌ هادروني كه در آزمايشگاهي در مرز فرانسه و سوئيس در زيرزمين قرار دارد حتي قبل از تأييد وجود آن در كيهان يا زيرزمين، توليد كنند.

 

تمام جست‌وجوهاي بررسي ماده‌ي تاريك بر WIMPS متمركز نيست. آزمايش ماده‌ي تاريك اكسيدني (Axion Dark Matter Expriment )در آزمايشگاه ملي لاورنس ليورمور در جست‌وجوي ذره‌ي نظري ديگري موسوم به اكسيون است. اولين مرحله از اين طرح در سال 2003 بي نتيجه به پايان رسيد. ولي اخيراً وزارت انرژي امريكا، چراغ سبزي را براي بهتر ساختن اين آزمايش نشان داده است.

 

هيچ كس نمي‌داند كه اين جست‌وجو چه قدر به طو ل مي‌انجامد. لسي روزنبرگ( Leslie Rosenberg)  سخن‌گوي طرح اكسيدان مي‌گويد «گوي بلورين مه آلود است و اضافه مي‌كند بالاخره سرشت ماده‌ي تاريك نمايان خواهد شد.» براي اطلاع بيش‌تر در مورد آزمايش‌هاي ماده‌ي تاريك به سايت زير مراجعه كنيد.

http://lpsc.in2p3.fr/mayet/dm.php

ترجمه : دکتر منیژه رهبر

مرجع