وقتی کره زمین با ماده تاریک بمباران شود چه خواهد شد؟

محققان دانشگاه دانمارک جنوبی، شبیه‌سازی‌ها‌یی در مورد ذرات ماده‌ی تاریکی که به زمین برخورد می‌کنند، انجام داده‌اند. فیزیک‌دانان معتقد هستند که ذرات ماده‌ی تاریک شتاب‌دار، به تعداد بی‌شماری با زمین برخورد می‌کنند. با اینکه تا کنون هیچ‌کس این ذرات مرموز را مشاهده نکرده است، دیگر در رابطه با وجود داشتن یا نداشتن آن‌ها برای فیزیک‌دانان، سوالی وجود ندارد. محققان برای آشکار‌سازی ذرات ماده‌ی تاریک برخورد کننده به زمین، در سراسر جهان، آشکار‌ساز‌ها‌یی نصب کرده‌اند.

ذرات ماده‌ی تاریک می‌توانند از تمامی ذرات ماده عبور کنند؛ یعنی اینکه که آن‌ها می‌توانند بدون از دست دادن انرژی از زمین عبور کنند. از سوی دیگر، برخورد آن‌ها با ذرات معمولی ممکن است کم‌کم سرعت آن‌ها را کاهش دهد و باعث توقف آنها و در نتیجه از دست رفتن انرژی آنها شود.

تیمون امکن، دانشجو‌ی مقطع دکترای تخصصی در مرکز پدیده‌شناسی کیهان‌شناسی و ذرات بنیادی دانشگاه دانمارک جنوبی، گفت:

ما چیز زیادی در‌باره‌ی این ذرات نمی‌دانیم و فقط حدسیات خود را به‌کار می‌بریم که این مسلما کار ما را برای جست‌و‌جو‌ی آن‌ها راحت‌تر نمی‌کند.

امکن برای به‌دست آوردن اطلاعات بیش‌تر در مورد ذرات ماده‌ی تاریک برخورد‌کننده با ماده‌ی معمولی، یک ابر‌رایانه درخواست کرده است و نتیجه‌ی این درخواست، برنامه‌ی شبیه‌سازی برخورد ذرات ماده‌ی تاریک با زمین بوده است.

امکن در ادامه توضیح داد:

اکنون من می‌توانم از رایانه بخواهم که به من نشان بدهد دقیقا چه اتفاقی در زمان برخورد ذرات ماده‌ی تاریک با زمین رخ می‌دهد. برای مثال، می‌توانم جهت حرکت ذرات ماده‌ی تاریک را قبل از برخورد به سطح زمین و بعد از برخورد با آن، روی صفحه‌ی نمایش ببینم.

نام این شبیه‌سازی، DaMaSCUS است و به فیزیک‌دان‌ها شانس سنجیدن بسیاری از نظریات را می‌دهد. این برنامه‌ی شبیه‌سازی به صورت رایگان در دسترس است و پروژه‌ی انجام شده به وسیله‌ی این نرم‌افزار، در مجله‌ی JCAP منتشر شده است.

در مدل استاندارد، ذرات ماده‌ی تاریک از زمین رد می‌شوند و با احتمال بسیار کمی با ذرات تشکیل دهنده‌ی سیاره برخورد می‌کنند. با این حال، آشکار‌ساز‌ها‌ی زیر زمین با هدف آشکار‌سازی همین اتفاق نادر برخورد یک ذره‌ی ماده‌ی تاریک با ذره‌ی ماده‌ی معمولی طراحی شده‌اند.

کریس کوواریس، استاد‌یار دانشگاه دانمارک، گفت: 

اگر ذرات ماده‌ی تاریک از مدل استاندارد پیروی نکنند چه؟ اگر در واقع این ذرات با قدرت کافی با ذرات ماده‌ی معمولی برهم‌کنش کنند، هنگام عبور از سطح زمین و گذر به اعماق آن، انرژی زیادی از دست بدهند، به‌طوری که دیگر غیر قابل آشکار‌سازی شوند چه می‌شود؟ در این صورت، دیگر با تکنیک‌ها‌ی استاندارد نمی‌توانیم آن‌ها را مشاهده کنیم.

یکی از تحقیقات اخیر آن‌ها در مورد احتمال پراکنده شدن ذرات ماده‌ی تاریک هنگام عبور از زمین است. کوواریس و امکن از DaMaSCUS برای نشان دادن چگونگی این رویداد استفاده کرده‌اند. این برنامه، میلیارد‌ها ذره‌ی ماده‌ی تاریک را شبیه‌سازی می‌کند که از زمین رد شده و در برخورد با اتم‌ها‌ی زیر سطح زمین پراکنده می‌شوند و پس از آن به صورت زیگزاگ حرکت می‌کنند.

اگر واقعیت همین باشد، پراکنده شدن ذرات ماده‌ی تاریک توسط اتم‌ها‌ی زیر سطح زمین باعث می‌شود که این ذرات به حد کافی انرژی از دست بدهند و با آشکار‌ساز‌ها‌ی زیر زمین قابل مشاهده شوند.

طرح کووریس برای ادامه‌ی این کار، به دست آوردن روش‌ها‌ی جدیدی برای یافتن این ذرات گریز‌پا است. امروزه، تعدادی آشکار‌ساز در سراسر جهان، در عمق دو کیلومتری سطح زمین نصب شده‌اند. اگر ذرات ماده‌ی تاریک همانند نوتروینو‌ها، با ذرات ماده‌ی معمولی به صورت ضعیف بر‌هم‌کنش کنند، فقط این دو  نوع ذره هستند که می‌توانند کیلومتر‌ها بدون وقفه در پوسته‌ی زمین حرکت کند. به این ترتیب، آشکار‌ساز‌ها‌ی درون زمین، از ذرات دیگری که توسط تابش‌ها‌ی کیهانی به سوی زمین می‌آیند، دور هستند. با این حال، طبق گفته‌ها‌ی کووریس:

اگر ماده‌ی تاریک جرم کمی داشته باشد و در عین حال با ذرات ماده‌ی معمولی نیز به شدت بر‌هم‌کنش کند، به حدی انرژی از دست می‌دهد که آشکار‌ساز‌ها نمی‌توانند آن را ببینند. در این موقعیت، شاید بهتر باشد که آشکار‌ساز‌ها‌یی روی سطح زمین برای دیدن آن‌ها قرار بدهیم.

پیشنهاد کووریس برای حذف سیگنال‌ها‌ی زمینه، به‌جای متمایز کردن ماده‌ی تاریک از نویز زمینه، محققان به دنبال سیگنالی بگردند که روزانه با آهنگ خاصی تغییر می‌کند. این سیگنال باید در آشکار‌ساز‌ها‌ی عمق زمین و آشکار‌ساز‌ها‌ی سطح زمین بررسی شود.

به‌دلیل حرکت زمین نسبت به مرکز کهکشان، ماده‌ی تاریک از یک جهت خاص و با یک دوره‌ی زمانی مشخص با زمین برخورد می‌کند. با این حال، به دلیل چرخش زمین حول محور خود، ذرات ماده‌ی تاریک حاصل از باد‌ها‌ی ماده‌ی تاریک، در طول ۲۴ ساعت شبانه روز با تغییرات سرعت مشخصی با زمین برخورد می‌کنند.

هرچه ذرات ماده‌ی تاریک مسافت بیش‌تری را در عمق زمین بپیمایند، احتمال پراکندگی آن‌ها از ذرات معمولی بیش‌تر است. این موضوع تعیین کننده‌ی تغییرات روزانه‌ی سیگنال‌ها است. یکی از مکان‌ها‌ی مناسب برای اندازه‌گیری این تاثیرات، در حدود عرض جغرافیایی ۴۰ در نیم‌کره‌ی جنوبی زمین در کشور‌ها‌یی مثل آرژانتین، شیلی و نیوزلند است.

کووریس و امکن با استفاده از شبیه‌ساز DaMaSCUS، توانستند دامنه و فاز این سیگنال روزانه را اندازه‌گیری کنند که این اندازه‌گیری می‌تواند ما را به سمت کشف ماده‌ی تاریک پیش ببرد. در حال حاضر کووریس با آزمایش ماده‌ی تاریک DAMIC هم‌کاری دارد که می‌تواند نظریه‌ها‌ی کووریس را آزمایش کند. در آزمایش جدید DAMIC، آشکار‌سازی با جرم یک کیلوگرم از جنس سیلیکون استفاده می‌شود.

تصور می‌شود که ۲۷ درصد جهان از ماده‌ی تاریک تشکیل شده است. دانشمندان عقیده دارند که این ماده کهکشان‌ها را در کنار هم نگه داشته است. با این حال، هیچ‌کس نمی‌داند ماده‌ی تاریک دقیقا چیست.