از اسرار ماده تاریک معروف چه می دانید؟

به گزارش کلیک، نزدیک به یک مایل زیر بلک هیلز در داکوتای جنوبی، یک محفظه مواد اتمی زنون آن‌قدر سرد شده که به مایع تبدیل شده است. این محفظه یک زنون عظیم زیر زمینی(LUX)، حساس ترین آشکار ساز ماده تاریک در جهان است. اما نتایج یک تحلیل جدید توسط دانشمندان LUX باعث شده آن‌ها در مورد ماده ای که باعث تشکیل ستارگان و کهکشان ها شده است، سردرگم شوند.

از سال ۱۹۳۰ دانشمندان متوجه شده اند که چیزی غیرقابل توضیح در مورد آسمان ها وجود دارد. ستاره شناس سوئیسی، فریتز زوئیکی که خوشه کهکشانی کما را مطالعه می‌کرد. خوشه کما یک گروه از هزاران کهکشان است که توسط انفعالات گرانشی در کنار هم قرار گرفته اند. تنها یک مشکل وجود داشت: کهکشان ها با چنان سرعتی حرکت می کردند که جاذبه قادر نبود آن‌ها را در کنار هم نگه دارد. خوشه باید تا به حال از هم جدا می شد. در دهه ۱۹۷۰، ورا روبین و همکار وی کنث فورد نرخ چرخش کهکشان های منفرد را مطالعه کرده و به همان نتیجه رسیدند. این طور به نظر می رسید راهی وجود ندارد که ماده ای را مشاهده کرد که باعث می شود کهکشان ها جاذبه کافی برای نگه داشتن ستارگان خود در کنار هم تولید کنند.

این مشاهدات به همراه بسیاری شواهد مستقل دیگر، منجر به ایجاد فرضیاتی توسط دانشمندان شد. این توضیحات شامل احتمالاتی بود که قانون آشنای حرکت نیوتون باید اشتباه باشد، یا اینکه درک ما از جاذبه باید اصلاح شود. هردوی این فرضیات تا حد زیادی رد شده اند.

یک ایده دیگر این بود که یک ماده نامرئی وجود دارد که نیروی گرانش تولید می کند. ایده های اولیه حول محور سیاه چاله ها، ستاره های کوتوله قهوه ای یا سیارات سرگردان بود اما این توضیحات نیز رد شدند. دانشمندان به این باور رسیدند که توضیح این ناهنجاری های گرانشی این است که باید نوعی ماده کشف نشده در جهان وجود داشته باشد که زوئیکی در ۱۹۳۳ آن را "dunkle materie" یا ماده تاریک نامید.

برای چندین دهه دانشمندان تلاش کردند خواص ماده تاریک را بفهمند. از مشاهدات نجومی میدانیم که پنج برابر بیشتر از تمامی میلیاردها میلیارد ستاره و کهکشان در جهان، ماده تاریک وجود دارد. ما همچنین می دانیم ماده تاریک نمی‌تواند بار الکتریکی داشته باشد، در غیر این صورت روی نور تاثیر می گذاشت و نمی توانستیم آن را ببینیم. در حقیقت با یک روند حذفی، ما می دانیم که ماده تاریک هیچ نوع شناخته شده ای از ماده نیست، بلکه چیزی جدید است. در این مورد دانشمندان مطمئن هستند. البته هنوز از جزییات آن آگاه نیستند.

به مدت چندین دهه، فرضیه محبوب این بود که ماده تاریک یک WIMP است که مخفف ذرات سنگین با واکنش پذیری ضعیف می شود. یک WIMP می تواند جرمی در حدود ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سنگین تر از پروتون داشته باشد.یک ذره مانند نوتورن سنگین(البته قطعا یک نوترون نیست) بزرگ، از نظر الکتریکی خنثی و در طولانی مدت ثابت است.

WIMP به دو دلیل بسیار محبوب بود.

اول اینکه زمانی که کیهان شناسان بیگ بنگ را محاسبه کردند و WIMP ها را در محاسبات جای دادند، این ذرات به طور فعال در مراحل اولیه تولد جهان شرکت کردند، اما هرچه جهان گسترش میافت و سرد می شد، فضای بین آن‌ها نیز افزوده می شد تا جایی که آن‌ها دیگر قادر به تعامل با یکدیگر نبودند. زمانی که دانشمندان محاسبه کردند چه مقدار حجم مربوط به WIMP ها است، به نتیجه ای پنج برابر بیشتر از مواد معمولی رسیدند، یعنی همان مقداری که ستاره شناسان اندازه گیری کرده بودند.

دومین دلیل برای محبوبیت WIMP این است که یک راز در فیزیک ذرات را توضیح می دهد. بوزون هیگز که اخیرا کشف شده جریم حدود ۱۳۰ برابر پروتون دارد. سنجش ای نظری یک حجم بزرگ‌تر را پیش بینی کرده بودند اما اگر WIMP وجود داشته باشد، تطبیق آن با پیش بینی ها و اندازه گیری ها آسان تر است. این دو دلیل برای محبوبیت WIMP با نام "معجزه WIMP" نامیده می شوند.

اندازه گیری های LUX جدیدترین و قوی ترین از بیشمار تحقیقات در مورد ماده تاریک است. آن‌ها هیچ شواهدی مبنی بر وجود ماده تاریک نیافته اند و طیف وسیعی از خواص احتمالی WIMP را رد کردند.

البته این به این معنی نیست که نظریه WIMP دیگر از بین رفته و یا ماده تاریک رد شده است.باقیمانده حجم WIMP که رد نشده است و سایر نامزدهای احتمالی ماده تاریک هنوز وجود دارند. از جمله این موارد نوترینوهای سترون هستند که پسرعموهای احتمالی نوترینوی تولید شده در راکتورهای هسته ای و خورشید است.

هیچ کس نمی داند پاسخ نهایی چه خواهد بود. به همین دلیل تحقیقات هنوز ادامه دارند تا پرده از این راز کیهانی بردارند.