به کارگیری برخورددهنده‌ها برای حل مسئله انرژی تاریک

زمانی‌که گرما‌ی تابستان به‌شدت در هوا احساس می‌شد، کلار بارج و همکارش بعد از کنفرانس دسامبر ۲۰۱۴ تصمیم‌ گرفتند با یکدیگر خلوت کنند و به صحبت در مورد فیزیک بپردازند. این کار، یعنی صحبت‌کردن در مورد فیزیک بعد از کنفرانس، کاری است که بیشتر فیزیکدان‌ها انجام می‌دهند.

موضوع مکالمه‌ی آن روز عصر، ذرات انرژی تاریک بود. این مکالمه می‌توانست راهی برای خط جدیدی از بررسی‌ها در شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی (CERN) شود.

ما واقعا نمی‌دانیم چه اتفاقی می‌افتد. در همین لحظه هم تمامی راه‌حل‌ها‌ی ما برای این مسئله با مشکلاتی همراه هستند.

بیشتر آزمایش‌ها‌یی که برای درک این مسئله‌ی مرموز به‌کار گرفته می‌شوند، حرکات و جا‌به‌جایی‌ها‌ی درون‌کهکشانی را زیر نظر می‌گیرند و آن‌ها را باتوجه‌به کار‌کرد گرانش بررسی می‌کنند. انرژی تاریک می‌تواند ویژگی فضا-زمان باشد یا حتی از عدم درک کار‌کرد گرانش در سطح کیهانی ناشی‌ شود.

اما بیشتر نظریه‌ها در اینکه آیا انرژی تاریک یک نیرو یا میدان جدید است یا نیست، شک و دو‌گانگی ایجاد می‌کنند؛ اما این احتمال وجود دارد که این انرژی نوعی میدان باشد. این نظریه‌ها بر این مبنا هستند که انرژی تاریک چیزی است که در کار‌کرد گرانش تغییر ایجاد می‌کند. اگر انرژی تاریک به‌صورت میدان باشد، دانشمندان باید انرژی مناسبی را به این میدان نسبت‌ دهند تا بتوانند ذره‌ای متناسب با آن استخراج‌کنند. باید بتوان این ذره را در LHC‌ مشاهده کرد. دانشمندان به‌گونه‌ای میدان هیگز را وارد بر‌هم‌کنش کردند که ذره‌ی هیگز به‌وجود آید و به‌این شکل بوزون هیگز کشف‌ شد.

بارج گفت:

کیهان‌شناس‌ها معتقدند فیزیک جدیدی وجود‌ دارد که ما از آن بی‌خبر هستیم و آن را نمی‌فهمیم. شواهد نشان می‌دهند نکات اساسی در مورد جهان ما وجود دارد که هنوز چیزی از آن‌ها نمی‌دانیم. آزمایش‌ها‌ی LHC نیز برای فهم این نکات اساسی طراحی شده‌اند.

آزمایش‌ها‌ی بزرگ LHC‌ از جمله ATLAS و CMS‌ در تلاش هستند تا با برخورد دادن پرو‌تون‌ها با سرعتی نزدیک به سرعت نور به‌یکدیگر، به‌دنبال نیرو‌ها‌ی بنیادی و ویژگی‌ها‌ی نا‌شناخته‌ی طبیعت بگردند. دور‌ تا دور نقاط برخورد از آشکار‌ساز‌ها‌ی بزرگی تشکیل‌ شده است که ماده و انرژی حاصل از برخورد‌ها را آشکار‌ می‌کنند. داده‌ها‌ی به‌دست‌آمده دید یگانه‌ای از رفتار‌ها‌ی در‌هم‌تنیده‌ی طبیعت به دانشمندان می‌دهد.

نظریه‌ای که بارج و همکارانش در مورد آن صحبت می‌کردند، بیان می‌کند که اگر انرژی تاریک نوعی میدان باشد، می‌تواند ذرات نور از خود گسیل‌ کند که این ذرات نور می‌توانند به‌صورت قوی با ماده بر‌هم‌کنش‌ کنند. بارج گفت:

تمرکز اصلی LHC روی ذرات سنگین بوده‌ است. بنابر‌این باید به داده‌ها‌ی گذشته رجوع‌ کنیم، آن‌ها را تفسیر‌کنیم و به‌دنبال یک نکته‌ی روشن‌کننده بگردیم.

بارج به‌همراه فیلیپه براکس از دانشگاه پاریس و کریستوف انگلرت از دانشگاه گلاسکو، داده‌ها‌ی اولین کار قدرتمند‌ترین برخورد‌دهنده‌ی جهان را برای یافتن نشانه‌ها‌ی روشن‌کننده‌ای از ذرات انرژی تاریک بررسی‌ کردند. آن‌ها بلافاصله بیان‌ کردند نشانه‌ها‌یی که به‌دنبالشان بودند را پیدا‌ نکرده‌اند.

زمانی‌که مدل ساده‌ی آن‌ها به‌راحتی حذف‌ شد، آن‌ها تصمیم‌ گرفتند ایده‌ی دیگری را جایگزین کنند که از قبلی سربسته‌تر و پیچیده‌تر است. آن‌ها می‌دانستند که برای تحلیل‌ها‌ی پیچیده‌تر، به کاردانی یک آزمایشگر نیاز است. بنابر‌این در آوریل ۲۰۱۶، این دانشمندان به‌همراه مایکل اسپنوسکی از دانشگاه دورهام، فرضیه‌ی جدیدشان را در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر‌ کردند و منتظر ماندند.

آن‌ها، اسپیروس آرگیروپولوس، دانشمند پسا‌دکتری دانشگاه لوا را به‌عنوان آزمایشگر خود یافتند. او در آزمایش ATLAS کار می‌کرد و مقاله‌ی آن‌ها را نیز خوانده بود. آرگیروپولوس گفت:

ایده‌ی آزمایش انرژی تاریک بسیار کنجکاو‌کننده بود. این موضوع چیزی نیست که به‌سادگی در LHC‌ به‌دنبال آن بگردیم. کار روی این موضوع، برای کیهان‌شناس‌ها و فیزیکدانان ذرات سود‌مند است.

آرگیروپولوس به‌همراه بارج و همکارانش، پارامتر‌ها‌ی مورد نیازشان را تعریف‌ کردند و سپس به‌همراه گروهی از دانشمندان ATLAS، به سراغ داده‌ها رفتند.

تئوری جدید نشان می‌دهد که ذرات انرژی تاریک باید از کوارک‌های تاپ گسیل‌ شوند و خودشان را به‌عنوان انرژی گم‌شده در آشکار‌ساز‌ها نشان‌ دهند. آرگیروپولوس و همکارانش داده‌ها‌ی مربوط‌به کوارک‌ها‌ی تاپ ATLAS را بررسی‌ کردند و به‌عنوان پژوهش‌ها‌ی جداگانه،‌ برای جست‌و‌جو‌ی نشانه‌ها‌ی انرژی تاریک، به‌سراغ برخورد‌ها‌ی دیگر نیز رفتند. اما نشانه‌های مورد انتظار را پیدا نکردند.

بااینکه این نتیجه نا امید‌کننده به‌نظر می‌رسد، آگیروپولوس اطمینان می‌دهد که این کار‌ها بیهوده نیست و مسئله‌ی فیزیکدان‌ها در حال حاضر، یافتن جواب درست نیست؛ بلکه کم‌کردن تعداد راه‌ها‌ی ممکن است.

بارج  در تأیید این عبارت گفت:

حذف یک ایده به‌وسیله‌ی داده‌ها‌ی آزمایشگاهی، نتیجه‌ی مثبتی است؛ حتی اگر این به‌معنی کشته‌شدن تئوری نو‌پا‌ی ما در این فرایند باشد. نظریه‌پردازان همیشه می‌توانند ایده‌ها‌ی جدید‌تری ارائه‌ دهند و اینکه بتوان طیف جواب‌ها‌ی ممکن را باریک‌ کرد، کار بسیار خوبی است.

چشم‌انداز نظریه‌ها‌ی انرژی تاریک بسیار گسترده است. افراد زیادی مخصوصا بارج با جست‌و‌جو برای نظریه‌ها‌ی قابل آزمایش و پیشنهاد راه‌ها‌یی برای امتحان‌کردن آن‌ها، در‌حال پاکسازی این چشم‌انداز هستند. بارج گفت:

ده سال پیش هیچ‌کس تصور نمی‌کرد که بتوان با استفاده از فیزیک برخورد‌دهنده‌ها، برای انرژی تاریک، قید ایجاد‌ کرد. نظریه‌ها باید همه‌ی آزمایش‌ها‌ی ممکن را از سر بگذرانند و این نشان می‌دهد که در زمینه‌ی کار ما، LHC‌ نقش بسیار پر‌رنگی دارد.