جست‌وجوی ابزار جدید دانشمندان برای ماده تاریک بی‌نتیجه ماند
حتی قوی‌ترین امواج گرانشی که به زمین می‌رسند و بر اثر برخورد سیاه‌چاله‌های دوردست به وجود می‌آیند، به‌سختی قابل اندازه‌گیری هستند و به‌سختی می‌توان مقدار کوچک این نوسان‌ها در بافت فضازمان را درک کرد. در سال ۲۰۱۶، پس از ده‌ها سال ساخت ابزاری به نام رصدخانه‌ی موج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (لایگو)، دانشمندان اولین موج گرانشی را کشف کردند.
از آن سال تا امروز نزدیک به ۱۰۰ موج گرانشی کشف شده و چشم‌اندازی گسترده از سیاه‌چاله‌های نامرئی به دست آمده است؛ اما این اکتشافات تنها بخشی از داستان هستند. آشکارسازهای موج گرانشی دستاوردهای دیگری هم دارند. به گفته‌ی رانا ادیکاری، فیزیکدان مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا:
افراد این پرسش را مطرح می‌کنند: شاید آشکارسازها به جز امواج گرانشی، نتایج دیگری هم داشته باشند.
پژوهشگرها براساس حساسیت بالای آشکارسازها به‌دنبال ابداع روش‌هایی هستند که از آن‌ها برای جست‌وجوی ماده تاریک هم استفاده کنند؛ ماده‌ای غیرنورانی که کهکشان‌ها را کنار یکدیگر نگه داشته است.
در ماه دسامبر، گروهی به رهبری هارتموت گروت از دانشگاه کاردیف در مجله‌ی Nature گزارش دادند که از یک آشکارساز موج گرانشی برای جست‌وجوی ماده تاریک میدان اسکالر استفاده کرده‌اند. این نوع ماده تاریک کاندید کمترشناخته‌شده‌ای برای جرم گمشده‌ی داخل و اطراف کهکشان‌ها است. پژوهشگرها سیگنالی پیدا نکردند و گروه بزرگی از مدل‌های ماده تاریک میدان اسکالر را حذف کردند. اکنون این ماده تنها در صورتی می‌تواند وجود داشته باشد که به شکلی ضعیف بر ماده‌ی مرئی تأثیر بگذارد. این اثر یک میلیون بار ضعیف‌تر از آن چیزی است که قبلاً تصور می‌شد.
دانشمندان به جست‌وجوی نوعی از ماده تاریک پرداختند که تقسیم‌کننده‌ی پرتو در قلب آشکارساز موج گرانشی را منبسط و منقبض می‌کند.
تا چند سال گذشته، کاندید پیشتاز ماده تاریک، ذره‌ای از نوع نوترینوی سنگین بود که دارای برهم‌کنش ضعیف و سرعت آهسته مشابه ذرات بنیادی دیگر است؛ اما جست‌وجوهای آزمایشگاهی برای این ذره‌ی موسوم به WIMP نتیجه‌ای را به‌دنبال نداشت و فضا را برای جایگزین‌های دیگر باز کرد. به گفته‌ی کاترین زورک، فیزیکدان نظری در کلتک: «به مرحله‌ای در جست‌وجوهای ماده تاریک رسیده‌ایم که تقریباً همه جا را جست‌وجو می‌کنیم.»
در سال ۱۹۹۹، سه فیزیکدان پیشنهاد دادند که ماده تاریک می‌تواند از ذراتی بسیار سبک و فراوان تشکیل شده باشد که بهتر است به صورت جمعی و به شکل میدانی از انرژی درنظر گرفته شوند که در کل جهان نفوذ کرده است. این میدان اسکالری در هر نقطه از فضا دارای یک مقدار است و این مقدار با یک فرکانس مشخص نوسان می‌کند.
ماده تاریک میدان اسکالر ویژگی‌های ذرات و نیروهای بنیادی دیگر را تغییر می‌دهد. برای مثال جرم الکترون و قدرت میدان مغناطیسی با دامنه‌ی نوسانی میدان اسکالر نوسان می‌کنند. فیزیکدان‌ها از سال‌ها پیش به این مسئله فکر می‌کنند که آیا آشکارسازهای موج گرانشی می‌توانند چنین نوسانی را کشف کنند. این آشکارسازها اختلال‌های کوچک را با استفاده از روشی به نام تداخل‌سنجی حس می‌کنند.
در ابتدا، نور لیزری وارد اسپلیتر یا تقسیم‌کننده‌ی اشعه می‌شود که نور را تقسیم و پرتوهای نور را در زاویه‌های صحیح نسبت به یکدیگر در دو مسیر بازوی L شکل، ارسال می‌کند. پرتوها از آینه‌های انتهای هر دو بازو منعکس می‌شوند و سپس به رأس L شکل برخورد می‌کنند و مجددا ترکیب می‌شوند. اگر پرتوهای لیزر به دلیلی مثل عبور یک موج گرانشی از حالت همگامی خارج شوند به‌طوری‌که یک بازوی تداخل‌سنج طولانی‌تر شود درحالی‌که دیگری فشرده شود، الگوی تداخلی مجزایی از حاشیه‌های نور و تاریکی شکل می‌گیرد.
آیا ماده تاریک میدان اسکالر می‌تواند پرتوها را از حالت همگامی خارج کند و باعث ایجاد الگویی تداخلی شود؟ به گفته‌ی گروت، براساس تفکر متداول هر انحرافی بر بازوها به‌صورت برابر تأثیر می‌گذارد؛ اما گروت در سال ۲۰۱۹ به نتیجه‌ای جدید رسید:
یک روز صبح از خواب بیدار شدم و ناگهان ایده‌ای به ذهنم رسید: تقسیم‌کننده‌ی پرتو دقیقاً همان چیزی است که به آن نیاز داریم.
تقسیم‌کننده یا اسپلیتر پرتو، بلوکی شیشه‌ای است که مانند یک آینه‌ی نشت‌کننده عمل می‌کند و به‌طور میانگین نیمی از نوری را که به سطح آن برخورد می‌کند منعکس می‌کند درحالی‌که نیم دیگر نور به داخل آن نفوذ می‌کند. در صورتی که ماده تاریک میدان اسکالر وجود داشته باشد، هرگاه میدان به دامنه‌ی اوج خود برسد، قدرت نیروی الکترومغناطیسی ضعیف می‌شود؛ این فرایند می‌تواند به کاهش اتم‌ها در بلوک شیشه‌ای منجر شود. وقتی دامنه‌ی میدان افت کند، بلوک شیشه‌ای منبسط می‌شود. بدین‌ترتیب این نوسان به آرامی فاصله‌ی طی‌شده توسط نور انعکاسی را بدون تأثیر بر نور عبوری تغییر می‌دهد؛ درنتیجه الگویی تداخلی ظاهر می‌شود. سندر ورمولن، دانشجوی گروت به کمک کامپیوترها به جست‌وجوی الگوهای تداخلی حاصل از میلیون‌ها فرکانس مختلف ماده تاریک میدان اسکالر، در داده‌های آشکارساز موج گرانشی GEO600 در آلمان پرداخت اما به هیچ نتیجه‌ای نرسید.
آشکارساز موج گرانشی LIGO در هانفورد، واشنگتن.
به گفته‌ی زورک، جست‌وجوی یادشده تنها یک تلاش برای ماهیگیری بود. فرکانس میدان اسکالر و قدرت اثر آن بر ذرات مختلف (و درنتیجه بر تقسیم‌کننده‌ی پرتو) می‌تواند به هر شکلی ظاهر شود. GEO600 تنها یک طیف مشخص از فرکانس‌ها را کشف کرده است. به‌همین‌دلیل، عدم موفقیت در کشف ماده تاریک میدان اسکالر با آشکارساز GEO600 به معنی عدم وجود آن نیست. به گفته‌ی گروت: «حالا ابزار جدیدی را دراختیار داریم و به جست‌وجو ادامه خواهیم داد.»
گروت همچنین قصد دارد از تداخل‌سنج‌ها برای جست‌وجوی آکسیون‌ها استفاده کند که کاندید محبوب دیگری برای ماده تاریک هستند. در عین حال، ریلز و همکاران او به‌دنبال جست‌وجوی علائمی از «فوتون‌های تاریک» در داده‌های لایگو هستند که دارای آشکارسازهایی در لیوینگستون لوییزیانا و هانفورد واشنگتن است و همچنین آشکارساز ویرگو در نزدیکی پیزای ایتالیا همتای دیگر آن است.
فوتون‌های تاریک، ذرات نورمانند فرضی هستند که بیشترین برهم‌کنش را با ذرات ماده تاریک دارند اما گاهی با اتم‌های عادی هم برخورد می‌کنند. اگر این ذرات اطراف ما باشند، ممکن است با یکی از آینه‌های تداخل‌سنج بیشتر از دیگری برخورد و یکی از آینه‌ها را بیشتر از دیگری به تداخل‌سنج هدایت کنند و بدین‌ترتیب طول‌های نسبی بازوها را تغییر دهند. به گفته‌ی ریلز:
بدین‌ترتیب عدم تعادل یک جهته و نوسانی تصادفی به وجود خواهند آمد که می‌توان از آن استفاده کرد.
طول موج‌های فوتون تاریک می‌توانند به گستردگی طول موج‌های خورشید باشند درنتیجه هر نوسان تصادفی که آینه‌های تداخل‌سنج هانفورد را مختل کند اثر یکسانی بر آشکارساز لیوینگستون خواهد داشت که تقریباً در فاصله‌ی ۵۰۰۰ کیلومتری قرار دارد و اثر همبسته‌ای هم برای آشکارساز پیزا وجود خواهد داشت؛ اما پژوهشگرها هیچ همبستگی‌ای را در داده‌ها پیدا نکردند. نتیجه‌ی پژوهش آن‌ها که سال گذشته منتشر شد به این معنی است که فوتون‌های تاریک حتی در صورت واقعیت، ۱۰۰ مرتبه ضعیف‌تر از چیزی هستند که تصور می‌شود.
ادیکاری نشان می‌دهد آشکارسازهای موج گرانشی می‌توانند ذرات ماده تاریک در ابعاد انسانی را هم کشف کنند که وزنشان به صدها کیلوگرم می‌رسد. این ذرات با برخورد به آشکارساز، از نظر گرانشی آینه‌های لایگو و پرتوهای لیزری را جذب می‌کنند. ادیکاری می‌گوید:
بر اثر برخورد ذره‌ها ممکن است مقداری نوسان در شدت پرتو مشاهده شود. آشکارساز کامل L شکل شبکه‌ای است که می‌تواند چنین ذراتی را دریافت کند.
اما این ابزار حساس دیگر چه چیزهایی را می‌توانند جذب کنند؟ ادیکاری در حال توسعه‌ی تداخل‌سنجی جدید در کلتک است که هدف آن جست‌وجوی نشانه‌های پیکسلی در فضازمان براساس برخی نظریه‌های کوانتوم گرانشی است. او می‌گوید: «اندازه‌گیری گرانش کوانتومی در آزمایشگاه رویای همیشگی فیزیکدان‌ها بوده است.» آشکارسازی که بتواند چنین مسافت‌های کوچکی را بررسی کند به قدری بزرگ است که به دلیل وزن زیاد به سیاه‌چاله تبدیل می‌شود. بااین‌حال زورک در حال کار روی ایده‌ای برای آشکارسازی گرانش کوانتومی با تنظیمات ادیکاری و دیگر آزمایش‌ها است.
در نظریه‌های کوانتومی دیگر، فضازمان پیکسلی نیست. بلکه هولوگرامی سه‌بعدی است که از یک سیستم دو بعدی فیزیک ذرات ظهور یافته است. زورک معتقد است چنین چیزی هم با آشکارسازهای موج گرانشی قابل کشف خواهد بود. نوسان‌های کوچک در فضای دوبعدی وقتی تقویت می‌شوند که از نظر هولوگرافیکی در سه بعد نگاشته شوند و بدین‌ترتیب امواج فضازمان به اندازه‌ی کافی بزرگ می‌شوند تا برای تداخل‌سنج‌ها قابل دریافت باشند.
نظرات