بعد جدیدی که می‌تواند درک ماده تاریک را متحول کند
تقریبا ۸۵ درصد از جرم جهان را ماده تاریک تشکیل داده است. این ماده هیچ نوری از خود منتشر نمی‌کند، کشف آن آسان نیست و ویژگی‌هایش هم کاملا مشخص نیستند. فیلیپ تاندو یکی از فیزیکدانان نظریه‌ی ذرات و همکاران او از دانشگاه کالیفرنیا مقاله‌ای را در مجله‌ی High Energy Physics منتشر کردند. بر اساس این مقاله، نظریه‌ها نوع جدیدی از نیرو را اثبات می‌کنند که می‌تواند به توصیف ویژگی‌های ماده تاریک کمک کند. تاندو مؤلف ارشد مقاله و استادیار فیزیک و نجوم است. او می‌گوید:
ما در اقیانوسی از ماده تاریک زندگی می‌کنیم با این حال هنوز دانش کمی درباره‌ی ماهیت آن داریم. ماده تاریک یکی از جنجالی‌ترین معماهای طبیعت است. می‌دانیم وجود دارد اما نمی‌دانیم چگونه آن را جستجو کنیم و چرا زمانی که انتظار داریم خود را نشان نمی‌دهد.
فیزیک‌دان‌ها در طول سی سال گذشته از تلسکوپ‌ها، آزمایش‌های زیرزمینی و برخورددهنده‌ها برای رسیدن به نتایجی درباره‌ی ماده تاریک استفاده کردند و البته به شواهد مثبتی دست نیافتند. شواهد منفی باعث شدند فیزیکدانهای تئوری مثل تاندو به شیوه‌ای خلاقانه‌تر درباره‌ی ماهیت ماده تاریک فکر کنند. پژوهش جدید که بعدی دیگر در فضا زمان را برای جستجوی ماده تاریک پیشنهاد می‌دهد بخشی از برنامه‌ی پژوهشی در UC Riverside به رهبری تاندو است. بر اساس این نظریه بخشی از ذرات ماده تاریک مانند ذرات معمولی رفتار نمی‌کنند. ذرات نامرئی با تعداد بیشتری از ذرات نامرئی واکنش می‌دهند و همین فرایند مانع از رفتار عادی آن‌ها می‌شود. به گفته‌ی تاندو:
هدف برنامه‌ی پژوهشی من در طول دو سال گذشته تعمیم ایده‌ی ماده تاریک به نیروهای تاریک است. در طول دهه‌ی گذشته فیزیک‌دان‌ها به نیروهای تاریک مخفی حاکم بر تعامل‌های ماده تاریک اشاره کرده‌اند. این نیروها می‌توانند قوانین جستجوی ماده تاریک را دگرگون کنند.
نیروهای تاریک بر جذب یا دفع ذرات ماده تاریک تأثیر می‌گذارند. نیروهای تاریک را می‌توان با نظریه‌ی ابعاد بالاتر توصیف کرد. این نیروها به‌صورت زنجیره‌ای از ذرات ظاهر می‌شوند و می‌توانند به حل بسیاری از معماها کمک کنند. به گفته‌ی تاندو:
برنامه‌ی پژوهشی ما در UCR تعمیمی از طرح پیشنهادی نیروی تاریک است. جهان مرئی ما دارای سه بعد فضایی است. در این برنامه بعد چهارمی را پیشنهاد می‌دهیم که تنها نیروهای تاریک بر آن احاطه دارند. این بُعد اضافی نشان می‌دهد چرا ماده تاریک مخفی است و تلاش‌هایمان برای جستجویش بی‌نتیجه مانده است.
بر اساس توضیحات تاندو گرچه ایده‌ی ابعاد بالاتر عجیب به نظر می‌رسد در حقیقت ترفندی ریاضی برای توصیف نظریه‌های میدان همدیس یا نظریه‌های سه‌بعدی معمولی است که در نظریه‌ی مکانیک کوانتوم صدق می‌کنند. این نظریه‌ها از دیدگاه ریاضی غنی هستند اما ذرات معمولی را در برنمی‌گیرند و معمولا برای توصیف طبیعت به کار نمی‌روند. تعادل ریاضی بین نظریه‌های چالش‌برانگیز سه‌بعدی و نظریه‌ی ابعاد بالاتر را اصل هولوگرافیک می‌نامند. به گفته‌ی تاندو:
از آنجا که نظریه‌های میدان همدیس رام‌نشدنی و غیرمتداول بود به‌صورت سیستماتیک بر ماده تاریک اعمال نشدند. در نتیجه از نظریه‌ی هولوگرافیک با ابعاد بالاتر استفاده می‌کنیم.
ویژگی کلیدی نظریه‌ی ابعاد بالاتر این است که نیروی بین ذرات ماده تاریک بر اساس تعداد نامتناهی ذرات مختلف با جرم‌های متفاوت به نام زنجیره توصیف می‌شوند. در مقابل، نیروهای معمولی بر اساس نوع مستقلی از ذره با جرم ثابت توصیف می‌شوند. این نوع زنجیره به دلیل تازگی برای تاندو جذابیت دارد. به گفته‌ی تاندو پروژه‌های قبلی درباره‌ی ماده تاریک متمرکز بر نظریه‌هایی بودند که از رفتار ماده مرئی تقلید می‌کردند. برنامه‌ی پژوهش او بررسی نظریه‌هایی افراطی‌تر است که اغلب فیزیکدانهای ذرات علاقه‌ای به آن ندارند. در نظریه‌ی تاندو نیروی بین ذرات ماده تاریک به شکل عجیبی با نیروهایی که روی ماده معمولی وارد می‌شوند تفاوت دارند. او می‌گوید:
برای نیروی گرانشی یا الکتریکی که در فیزیک پایه تدریس می‌کنم، با دو برابر ساختن فاصله‌ی بین دو ذره نیرو به اندازه‌ی ضریب چهار کاهش می‌یابد. نیروی زنجیره‌ای هم بر اساس ضریب هشت کاهش می‌یابد.
اما نیروی تاریک ابعاد بالاتر چه معنایی دارد؟ از آنجا که ماده معمولی نمی‌تواند با این نیروی تاریک واکنش دهد، تاندو به ایده‌ی ماده تاریک خودواکنش‌دهنده روی آورد که در ابتدا توسط های بو یو، استادیار فیزیک و ستاره‌شناسی در UCR ارائه شد. یو نشان داد که با وجود عدم واکنش نیروی تاریک با ماده معمولی آثار نیروهای تاریک را می‌توان به‌صورت غیرمستقیم در کهکشان‌های کوتوله‌ی شبه کروی مشاهده کرد. بر اساس مشاهدات نیروی زنجیره‌ای می‌تواند عامل حرکت ستاره‌ها باشد. او می‌گوید: «مدل ما یک قدم فراتر می‌رود و مدلسازی ماده تاریک خودواکنش‌دهنده را برای توصیف منشأ کیهانی ماده تاریک آسان می‌سازد.» تیم تاندو در قدم بعدی به بررسی نسخه‌ی پیوسته‌ی مدل فوتون تاریک می‌پردازند. تاندو می‌افزاید:
این بررسی چشم‌اندازی واقعی‌تر از نیروی تاریک می‌دهد. فوتون‌های تاریک با جزئیات بالایی بررسی شدند اما چارچوب چندبعدی ما دارای شگفتی‌هایی است. همچنین نگاهی به کیهان‌شناسی نیروهای تاریک و فیزیک سیاهچاله‌ها می‌اندازیم
تاندو در جستجوی تیمی خود برای ماده تاریک روی شناسایی نقاط کور کار کرده است. به گفته‌ی او:
یکی از اهداف برنامه‌ی پژوهشی من فرضیه‌های فیزیک ذرات هستند: تعامل ذرات بر اساس مبادله‌ی تعداد بیشتری از آن‌ها توصیف می‌شود. این مسئله برای ماده معمولی صدق می‌کند اما هیچ مدرکی برای تعمیم آن به ماده تاریک وجود ندارد.
تاندو همچنین به پژوهش یان چافی پژوهشگر فوق دکترا و سیلوین فیچت پژوهشگر فوق دکترای مرکز بین‌المللی فیزیک تئوری در مؤسسه‌ی پژوهش‌های بنیادی آمریکای جنوبی در برزیل پیوست. این پژوهش با سرمایه‌گذاری بخش انرژی ایالات متحده آغاز شد. عنوان مقاله Continuum-Mediated Self Interacting Dark Matter است.
نظرات