آشکارساز ماده تاریک یکی از پدیدههای کمیاب تاریخ علم را شناسایی کرد
دانشمندان به‌تازگی توانستند با استفاده از آشکارساز ماده‌ی تاریک XENON1T که زیر کوه‌ها‌ی گرن‌ساسو ایتالیا قرار گرفته، یکی از پدیدههای کمیاب مشاهده‌شده را آشکار‌سازی کنند: نوع خاصی از واپاشی‌ها‌ی رادیو‌اکتیو زنون۱۲۴. این شاهکار بسیار بزرگی محسوب می‌شود؛ چراکه واپاشی این ایزوتوپ بسیار آهسته انجام می‌شود. درحقیقت نیمهعمر زنون ۱۲۴، ۱.۸ در ۱۰ به توان ۲۲ سال است. این عدد یک‌میلیارد برابر عمر جهان است.
در واپاشی رادیو‌اکتیو، «نیمهعمر» به زمانی گفته می‌شود که طول می‌کشد تا نصف هسته‌ی اتم‌ها‌ی یک نمونه به‌صورت خود‌به‌خودی به اتم‌ها‌ی دیگری تبدیل شوند. این فرایند معمولا با واپاشی اتم یا به‌دام‌اندازی پروتون و نوترون و الکترون‌ها در ترکیب‌ها‌ی مختلف همراه است.
دراین‌باره گروهی از پژوهشگران آزمایشی طراحی کرده‌اند تا بتوانند پدیده‌ی خاصی به‌نام گیر‌اندازی دو الکترونی را مشاهده کنند. در این آزمایش، دو پروتون از یک اتم زنون به‌صورت هم‌زمان دو الکترون جذب می‌کنند؛ درنتیجه دو نوترون به‌وجود می‌آیند. از دیدگاه این گروه پژوهشی، پدیده‌ای بسیار نادر با پدیده‌ی بسیار نادر دیگر ترکیب می‌شود و پدیده‌ای بسیار نادر به‌وجود می‌آورد.
نکته‌ی بسیار تأثیر‌گذار در این مشاهده کالیبراسیون بسیار دقیق XENON1T است. درواقع، اگر کالیبراسیون چنین دقتی نداشت، هرگز این مشاهده امکان‌پذیر نبود. ۱,۳۰۰ کیلو‌گرم ایزوتوپ زنون در محفظه‌ی این دستگاه قرار داده شده است. درواقع، این دستگاه برای آشکار‌سازی ذرات فرضی ماده تاریک طراحی شده است.
در آزمایش اخیر، حسگر‌ها برای مشاهده‌ی این نوع بر‌هم‌کنش‌ها طراحی شده‌اند. در بر‌هم‌کنش‌های مذکور، خود ایزوتوپ زنون واپاشی می‌کند و اجازه می‌دهد پدیده‌ای نادر را مشاهده کنیم.
اتان براون، یکی از پژوهشگران این پروژه از مؤسسه‌ی پلی‌تکنیک رنسلار نیویورک گفت:
درحقیقت، ما این پدیده را مشاهده کردیم. این پدیده طولانی‌ترین و آهسته‌ترین پدیده‌ای است که تا‌کانن دیده شده است. آشکارساز ماده تاریک ما حساسیت کافی برای آشکار‌سازی آن را داشت. دیدن این پدیده بسیار خوشحال‌کننده است و نشان می‌دهد آشکارساز ما توانایی آشکار‌سازی نادر‌ترین پدیدههای تاریخ را دارد.
با آنکه نیمهعمر زنون به‌صورت تئوری در سال ۱۹۵۵ محاسبه شده، دانشمندان تاکنون نتوانسته بودند واپاشی رادیو‌اکتیو این ایزوتوپ زنون را مشاهده کنند. این مشاهده نشانه‌ی مستقیم یافته‌ای است که چهار دهه انتظارش را می‌کشیدیم.
هنگامی‌که الکترون‌ها در اتم‌ها دوباره جایگزین می‌شوند و هسته‌ها آن‌ها را جذب می‌کنند، سیگنالی از خود منتشر می‌کنند که درواقع، کار XENON1T نیز دریافت همین سیگنال‌ها است. به‌گزارش Gizmodo، این مشاهده‌ها هنوز به‌حدی نرسیده که نام اکتشاف را بر آن بگذارند. بااین‌حال، هنوز هم مشاهده‌ای شگفت‌انگیز محسوب می‌شود.
براون گفت:
در گیر‌اندازی دوالکترونی، الکترون‌ها از درونی‌ترین پوسته‌ی اطراف هسته بیرون کشیده می‌شوند و این فرایند باعث می‌شود در این پوسته جای خالی ایجاد شود. الکترون‌ها‌ی باقی‌مانده به حالت پایه‌ی انرژی بر‌می‌گردند و همین فرایند بازگشت به حالت پایه را در آشکار‌ساز‌ها مشاهده می‌کنیم.
با اینکه XENON1T برای جست‌و‌جو‌ی ماده‌ی تاریک ساخته شده، با کار‌کرد خود نشان می‌دهد می‌توان از این نوع دستگاه‌ها برای دیگر کاربرد‌ها و دیگر اکتشافات نیز استفاده کرد. این مشاهده‌ها اخیر درس‌ها‌یی دربارهی نوترینو‌ها به ما می‌دهد. نوترینو‌ها ذرات فراوانی هستند؛ اما آشکار‌سازی آن‌ها مشکل است و دانشمندان دهه‌ها به‌دنبال آشکار‌سازی آن‌ها بوده‌اند.
دانشمندان در این آزمایش گیر‌اندازی دوالکترونی، دو نورینو آشکار‌سازی می‌کنند و این یعنی هسته‌ی اتم دو نوترینو منتشر می‌کند. مسئله بعدی برای دانشمندان این است که آزمایشی طراحی کنند تا در آن، همین اتفاق این‌بار بدون انتشار نوترینو‌ها تکرار شود. این فرایند از فرایند قبلی نادر‌تر است. این آزمایش‌ها به‌نوبت می‌توانند عمیق‌ترین راز‌ها‌ی فیزیک ذرات را حل‌کنند. کارت برنمن از RPI گفت:
این یافته بسیار فوق‌العاده است و می‌تواند مرز‌ها‌ی دانسته‌ها‌ی ما دربارهی خصوصیات بنیادی ماده را جا‌به‌جا کند. کار دکتر براون این است که دستگاه آشکارساز را کالیبره کند و از میزان خلوص زنون مطمئن شود تا این آزمایش در حداستاندارد باشد.
یافته‌های این پژوهش در نشریه‌ی Nature منتشر‌شده است.
نظرات