آیا اکسیون‌ها می‌توانند جهان را نجات دهند؟

جست‌وجو برای برخی از ریزترین ذراتی که فیزیکدانان تا به‌حال تصور کرده‌اند، همچنان ادامه دارد. این ذرات تاریک‌تر از شب هستند، تصور اینکه فراتر از یک ایده باشند سخت است و براساس یک شوینده‌ی لباس نام‌گذاری شده‌اند.

اما «اکسیون‌ها»، همان‌طور که از نامشان پیداست، می‌توانند بیشتر ماده موجود در جهان ما را تشکیل دهند و اسکلت‌های نادیدنی کهکشان‌ها و زنجیره‌های نوری در آسمان ستاره‌شناسان را شکل دهند. تأیید وجود آن‌ها برخی از عمیق‌ترین نظریه‌های طبیعت را برهم خواهد زد.

«گری ریبکا»، فیزیکدان «دانشگاه واشنگتن» به نیویورک‌تایمز گفت: «نزدیک به ۱۰ سال است که درحال جست‌وجو هستیم و هر روز ممکن است کشفی انجام دهیم.» وی روی پروژه‌ای به نام « آزمایش ماده تاریک اکسیون» (ADMX) کار می‌کند که در تلاش است با استفاده از میدان‌های مغناطیسی قوی، اکسیون‌ها را آشکارسازی کند.

ستاره‌شناسان نیز با تحلیل چگونگی چرخش سیاه‌چاله‌ها و شکل کهکشان‌های نوزادی که تلسکوپ فضایی جیمز وب به نمایش گذاشته، درحال جست‌وجوی نشانه‌هایی از وجود اکسیون‌ها هستند. اما تاکنون هیچ‌کس آن‌ها را پیدا نکرده است. موفقیت در این زمینه سرنخی بزرگ به یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان ارائه خواهد داد: جهان از چه چیزی ساخته شده است؟

ستاره‌شناسانی که حرکات ستاره‌ها و کهکشان‌ها را دنبال می‌کنند، با اکراه نتیجه‌گیری کرده‌اند که چیزهای بیشتری در جهان وجود دارد که نمی‌توان مستقیماً با تلسکوپ مشاهده کرد. ماده‌ای که ستاره‌ها، سیارات، کهکشان‌ها و ما را تشکیل می‌دهد، تنها یک‌ششم ماده موجود در جهان را شامل می‌شود. سایر آنچه به‌عنوان «ماده تاریک» شناخته می‌شود، نامرئی و دورافتاده است؛ اما گرانش کافی برای نگه‌داشتن جهان مشاهده‌پذیر را در کنار هم دارد.

ذرات بی‌شماری به عنوان کاندیدا برای ماده تاریک فرض شده‌اند. اما محبوب‌ترین‌ها آن‌هایی هستند که شکاف‌های «مدل استاندارد» مدل استاندارد را پر می‌کنند. این مدل هرچند ناقص است، فعلاً بهترین نظریه‌ی ما برای توصیف طبیعت و نیروهای هدایتگر آن محسوب می‌شود.

برای دهه‌ها، دانشمندان برای شناخت ماده تاریک به ذرات سنگین دارای برهم‌کنش ضعیف امید بسته بودند که با نام «WIMP» شناخته می‌شوند. این ذرات در دهه ۱۹۷۰ به عنوان ویژگی برجسته‌ای از نظریه‌ای به نام «ابرتقارن» که برای حل مشکلات عمیق مدل استاندارد طراحی شده، مورد توجه قرار گرفتند. WIMP-ها نامرئی بودند، عمدتاً از طریق گرانش با جهان برهم‌کنش داشتند و جرمشان صدها یا حتی هزاران برابر پروتون بود. این ذرات سنگین در مقیاس زیراتمی، درمقایسه با سرعت نور نیز کند بودند.

WIMP-ها دقیقاً همان چیزی بودند که کیهان‌شناسان برای پر کردن خلأهای کیهان نیاز داشتند. «لونا زاگوراچ»، کیهان‌شناس ذرات در «مؤسسه نظری فیزیک پریمتر» در واترلو، گفت: «WIMP پیش‌فرض پایه بود، زیرا معجزه محسوب می‌شد و همه می‌خواهند این معجزه حقیقت داشته باشد.»

میلیون‌ها دلار هزینه به امید یافتن WIMP، صرف ساخت آشکارسازهای بزرگ‌تر و دقیق‌تر در عمق زمین یا در دامنه‌های کوه‌ها شده است. اما جست‌وجوها توسط آزمایش ماده تاریک LZ، برخورددهنده هادرونی بزرگ در سرن و سایر آشکارسازها همچنان بی‌نتیجه مانده است. چنین وضعیتی نشان می‌دهد که این ذرات فرار حداقل برای آینده‌ی قابل پیش‌بینی دور از دسترس حوزه‌ی تجربی هستند.

برخی دانشمندان می‌گویند شاید زمان آن رسیده که به نقشه دیگری فکر کنیم. «پریاموادا ناتاراجان»، اخترفیزیکدان «دانشگاه ییل»، می‌گوید: «با توجه به اینکه پس از دهه‌ها جست‌وجو همچنان دست خالی هستیم، به‌نظر می‌رسد طبیعی باشد که به دنبال گزینه‌های دیگر بگردیم.» او افزود: «اکسیون کاندیدایی از نگاه من قانع‌کننده است.»

ماهیت ماده تاریک تحت بررسی دقیق‌تر قرار گرفته است؛ زیرا دانشمندان بیشتر درباره جهان اولیه، زمانی که اولین ستاره‌ها از بقایای بیگ‌بنگ ظهور کردند، آموخته‌اند. به‌نظر می‌رسد که کهکشان‌های اولیه خیلی بزرگ‌تر، روشن‌تر و بیشتر از آنچه نظریه‌های مبتنی‌بر WIMP پیش‌بینی کرده بودند، وجود داشته‌اند.

اگر اکسیون‌ها وجود داشته باشند، ممکن است توضیحی درباره معما ارائه دهند؛ اما نظریه‌های کنونی جرم، آن‌ها را پیش‌بینی نمی‌کنند، فقط می‌دانیم اکسیون‌ها به سختی با ماده برهم‌کنش دارند و آشکارسازی آن‌ها در عمل دشوار است.

در سال ۱۹۷۷، «روبرتو پچئی»، فیزیکدان نظری دانشگاه «کالیفرنیا» و «هلن کوئین»، فیزیکدان ذرات در دانشگاه «استنفورد» برای ایجاد تغییر جزئی در نظریه‌ای که نیروهای هسته‌ای قوی را توجیه می‌کند، اکسیون‌ها را پیشنهاد دادند. این تغییر به توضیح این موضوع می‌پرداخت که چرا نوترون‌ها (اجزای بدون بار هسته اتمی) از نظر الکتریکی نامتقارن نیستند، درحالی‌که طبق مدل استاندارد باید چنین باشند.

«فرانک ویلچک»، فیزیکدان نظری «موسسه فناوری ماساچوست» و «استیون واینبرگ» در «دانشگاه تگزاس»، به‌طور مستقل متوجه شدند که تغییر پچئی-کوئین وجود یک ذره جدید را نشان می‌دهد. دکتر ویلچک آن را اکسیون نامید. او سال ۲۰۱۶ در مقاله‌ای برای «کوانتا مگزین» نوشت: «چند سال قبل، نمایشگاهی از جعبه‌های رنگارنگ یک شوینده لباس به نام اکسیون توجه من را جلب کرده بود. به ذهنم رسید که اکسیون شبیه نام یک ذره است و واقعاً باید چنین ذره‌ای وجود داشته باشد.»

دکتر ویلچک و دیگران همچنین متوجه شدند که مانند WIMP-ها، اکسیون‌هایی با جرم خاص، دارای بسیاری از ویژگی‌های موردنیاز برای توصیف ماده تاریک هستند. آن‌ها باید به اندازه چند میلیونم الکترون‌ولت وزن داشته باشند که واحدهای جرم و انرژی موردعلاقه فیزیکدانان ذرات است. برای مقایسه بهتر است بدانید که الکترون‌هایی که در گوشی هوشمند شما حرکت می‌کنند حدود نیم‌میلیون الکترون‌ولت وزن دارند.

اما از نظر تئوری، اکسیون‌ها و ذرات شبیه اکسیون می‌توانند از هر اندازه یا جرمی برخوردار و عواقب سنگینی برای جهان داشته باشند. گونه‌های مختلف می‌توانند نقش ماده تاریکی را ایفا کنند که کهکشان‌ها را به هم پیوند می‌دهد، تابش ریزموج زمینه کیهانی را دچار انحراف یا حتی به انرژی تاریک معروف کمک می‌کند تا باعث انبساط جهان با سرعتی روزافزون شود.

هدف فقط این است که بفهمیم چگونه می‌توانیم یک اکسیون را گیر بیندازیم. این جست‌وجو فیزیکدانان را به دنیای زیر اتمی می‌برد؛ جایی که قوانین عجیب مکانیک کوانتومی تعیین می‌کند که همه چیز (از جمله ماده تاریک)، هم به شکل ذره و هم موج وجود دارد. WIMP-ها سنگین هستند، بنابراین رفتاری شبیه به ذرات نامناسب دارند؛ مانند توپ‌های بولینگی که به توپ‌های پینگ‌پنگ برخورد می‌کنند. اکسیون‌ها در انواع مختلفی وجود دارند. آن‌هایی که می‌توانند نقش ماده تاریک را ایفا کنند، سبک‌وزن هستند و اساساً مانند امواج عمل می‌کنند.

اکسیون‌ها با همین جرم کم، از مدت‌ها پیش خارج از دسترس حوزه‌ی تجربی محسوب شده‌اند. اما پیشرفت‌ها در محاسبات کوانتومی و کرایوژنیک‌، جست‌وجوی اکسیون‌ها را ممکن‌تر کرده است.

در سال ۱۹۸۳، «پی‌یر سیکوی»، فیزیکدان دانشگاه فلوریدا، ادعا کرد که در یک میدان مغناطیسی قوی، اکسیون می‌تواند به فوتون، ذره‌‌ی منتقل‌کننده‌ی نور تبدیل شود. این بینش پایه‌گذار آزمایش‌هایی مانند ADMX شد.

دکتر ریبکا گفت: «امروزه معتبرترین روش برای جست‌وجوی اکسیون‌ها استفاده از بزرگ‌ترین و قوی‌ترین آهنربایی است که می‌توانید پیدا کنید.» ADMX برپایه‌ی یک آهنربای الکترومغناطیسی ابررسانا ساخته شده که صدهزار برابر برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است و درون یک محفظه بزرگ مسی قرار دارد که تا یک دهم درجه بالای صفر مطلق خنک شده است. وقتی یک اکسیون با اندازه مناسب وارد این حفره مغناطیسی می‌شود، باعث تولید مجموعه‌ای از امواج مایکروویو می‌شود که محفظه را دچار تشدید می‌کند.

آزمایش‌هایی مانند ADMX قبلاً ثابت کرده‌اند که اکسیون‌هایی با جرم‌های خاص وجود ندارند؛ اما دامنه وسیعی برای کاوش باقی مانده است. دکتر زاگوراک گفت: «اگر شما در آن جعبه شنی بازی کنید، واقعاً جعبه سرگرم‌کننده‌ای برای بازی کردن پیدا کرده‌اید.» او سپس به عدم محدودیت‌هایی اشاره کرد که به همراه دیگر نظریه‌پردازان در پیشنهاد انواع جدید اکسیون‌ها دارد: «اما اگر سعی دارید سوزنی را در آن جعبه شنی پیدا کنید، موفق باشید.»

به عبارت دیگر، تجربه‌گرایان مسیر بسیار دشواری پیش‌رو دارند. تیم ADMX در سال ۲۰۱۸، پس از ۲۰ سال فعالیت اعلام کرد آزمایش آن‌ها بالاخره به حد کافی از پیشرفت رسیده تا شروع به بررسی جرم‌های نظری امیدوارکننده برای اکسیون‌های ماده تاریک کنند.

دکتر ریبکا گفت: «هر روز ممکن است به کشف دست پیدا کنیم، زیرا ما فقط داریم آن فرکانس را آرام آرام تنظیم می‌کنیم.»

درحال حاضر، جست‌وجوی اکسیون‌ها ممکن است به آزمایشگاه‌ها محدود باشد. اما دانشمندان فکر می‌کنند که روزی ممکن است در فضای بیرونی قابل شناسایی باشند. دکتر دی‌مپلوس گفت: «یک راه وجود دارد که اخترفیزیک بتواند این ذره را تولید کند، حتی اگر ماده تاریک نباشد.»

در فرآیندی که «ابرتابش» نام دارد، اکسیون‌های با اندازه خاص می‌توانند انرژی را از سیاه‌چاله‌های چرخان جذب کنند. این رویداد می‌تواند به کاهش اندازه‌ی بعضی از سیاه‌چاله‌هایی منجر شود که توسط آشکارسازهایی مانند «رصدخانه امواج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری» (لایگو) مشاهده می‌شوند.

یک مطالعه‌ی جدید پیشنهاد می‌کند که توده‌های اکسیون در مغناطیس‌سپهر ستاره‌های متغیر می‌توانند مانند نسخه‌ای طبیعی و فضایی از آزمایش ADMX، به امواج مایکروویو تبدیل شوند. سپس سیگنال‌های منتشرشده از این پدیده را می‌توان با استفاده از تلسکوپ‌های رادیویی روی زمین اندازه‌گیری کرد.

اکسیون‌ها حتی ممکن است توسط خورشید تولید شوند و توسط آزمایش‌هایی مانند «تلسکوپ خورشیدی اکسیون سرن» (CAST) در سوئیس جست‌وجو می‌شوند.

یک احتمال جذاب دیگر به نام «ماده تاریک مبهم»، تخیل برخی کیهان‌شناسان را در دست گرفته است. در یک کهکشان، اکسیون‌های فوق سبک با طول موج‌هایی تا صدها سال نوری ممکن است با یکدیگر تداخل کنند و رشته‌ها و گره‌های کوچکی در بخش مشاهده‌پذیر کهکشان باقی بگذارند.

دکتر «جرمی اوستریکر»، اخترفیزیکدان «دانشگاه کلمبیا» گفت ستاره‌هایی که از این ناحیه در فضازمان عبور می‌کنند، انرژی را به کهکشان پرتاب خواهند کرد و به نوسانات در روشنایی آن منجر خواهند شد. سپس افزود: «من اکسیون‌ها را دوست دارم زیرا آنها ستاره‌ها را گرم می‌کنند.»

اما تاکنون اکسیون‌های فوق سبک، عشق دکتر اوستریکر را پاسخ نداده‌اند. آنها همچنان گم شده‌اند و ویژگی‌های مبهمشان برای تفکیک با تلسکوپ‌های نوری امروزی بسیار کوچک است.

یکی از نقص‌های تمام این مدل‌ها، فرضیه وجود تنها یک نوع ماده تاریک در جهان است. چرا باید سمت تاریک جهان، جذابیت یا پیچیدگی کمتری از آنچه ما مشاهده می‌کنیم، داشته باشد؟

بنابراین هنوز نتیجه‌ای گرفته نشده و جهان کاملاً باز است. دکتر زاگوراک مطمئن نیست که آیا اکسیون‌ها یا هر نوع ماده تاریکی در طول عمرش کشف خواهند شد یا خیر. او گفت: «ممکن است شانس بیاوریم. اما تا آن زمان، این زمین بازی من برای جست‌وجو است.»