هیچ ردی از وجود ماده تاریک در آخرین تلاش آشکارساز ماده تاریک عظیم و زیرزمینی زنون (LUX)، در مرکز پژوهش‌های زیرزمینی استنفورد در آمریکا دیده نشد. با وجود 20 ماه تلاش این آشکارساز با حساسیتی چهار برابر حساسیت طراحی شده‌ی اصلی آن، هیچ نشانی از ذرات بسیار سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMPها) که کاندیدای اصلی ماده-تاریک در جهان هستند، مشاهده نگردید.

Richard Gaitskell، سخن‌گوی مشترک LUX (آشکارساز عظیم و زیرزمینی زنون) گفت: «اگر این بالا بردن حساسیت موجب می‌شد رد واضحی از ماده تاریک به دست آید، حیرت‌انگیز می‌شد. با این حال آن‌چه ما مشاهده کردیم مطابق با ماده پس‌زمینه به تنهایی بود».

درون آشکارساز ماده تاریک LUX: هیچ WIMP وجود نداشت

ماده تاریک نامی برای مواد مرموزی است که تصور می‌شود 80 درصد جرم جهان را تشکیل داده‌اند. به نظر نمی‌رسد این ماده با نور برهم‌کنشی داشته باشد (از این رو چنین اسمی برای آن انتخاب شده است) و هیچ‌گاه نمی‌توان به‌طور مستقیم آن را دید. به‌علاوه، ماده تاریک با مدل استاندارد فیزیک ذرات توضیح داده نمی‌شود. بلکه، از مشاهدات اخترفیزیکی فرایند‌های نظیر تشکیل و دینامیک کهکشان‌ها به وجود آن‌ها پی برده‌ شده است، که به نظر می‌رسد نیروی گرانشی اعمال‌شده از سوی ماده تاریک دلیل این پدیده‌ها باشد.

به بن‌بست رسیدن مدل استاندارد

این ناکامی اخیر، بر این نظریه که WIMPها کاندیداهای احتمالی ماده تاریک باشند، محدودیت‌هایی علمی ایجاد کرد. هم‌چنین احتمال این‌که در برخورد‌دهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سرن، ماده تاریک آشکارسازی شود، کم‌تر شد. این امر موجب شد ترسی در دل دانشمندان فیزیک ذرات ایجاد شود که ممکن است با «داستانی کابوس‌مانند» روبه‌رو شوند که در آن LHC و آزمایش‌های هم‌عصر با آن مانند LUX هیچ مدرک قابل‌توجهی از فیزیک ماورای مدل استاندارد پیدا نمی‌کنند.

انتظار می‌رود کهکشان راه شیری با وجود ماهیت در حال گریز آن مالامال از ماده تاریک باشد، و این ماده باید بصورت دائمی به سمت زمین جاری باشد. فیزیک‌پیشگان چندین نسل از آشکارسازها با حساسیت‌های رو به فزونی، نظیر LUX را ساخته‌اند، تا برهم‌کنش‌های کوچکی را که ممکن است میان ماده تاریک و ماده عادی رخ دهد، دریابند. با این‌که بیشتر آشکارسازها چنین برهم‌کنش‌هایی را مشاهده نکرده‌اند، برخی دیگر نشانه‌هایی امیدبخش (و گاهی بحث‌برانگیز) از ذرات ماده تاریک را گزارش کرده‌اند.

LUX در عمق 1500 متری زمین در بلک‌هیلز واقع در داکوتای جنوبی مدفون شده است که در آن‌جا سنگ‌های بسیارسخت آشکارسازهای حساس آن را از تشعشعات کیهانی و اشعه‌های زمینه‌ای دیگر حفظ می‌کند. این آشکارساز تشکیل‌شده از مخزن تیتانیومی به طول 2 متر است و با 350 کیلوگرم زنون مایع پر شده که تا دمای 108- درجه سانتی‌گراد سرد شده است.

درخشش نور

LUX برای آشکارسازی WIMPها طراحی شده است به گونه‌ای که انتظار می‌رود این ذرات گاه و بی‌گاه با اتم‌های زنون این آشکارساز برخورد کنند،. اگر چنین اتفاقی رخ دهد، اتم پس‌زده‌شده نور و چند الکترون آزاد تولید خواهد کرد. الکترون‌ها توسط میدان الکتریک شتاب گرفته و هنگامی که به لایه نازکی از گاز زنون در بالای مخزن می‌رسند، نور بیشتری تولید می‌کند. آشکارسازهای شدیداً حساس به نور، سیگنال‌های نور در نقطه برخورد و در بالای مخزن را جمع‌آوری می‌کنند. انرژی برخورد را می‌توان از روشنایی نور به دست آورد. نیاز به دو سیگنال در هر آشکارسازی، تمایز قائل شدن میان این نورها را با نور به وجود آمده از تشعشات زمینه‌ای ساده‌تر می‌کند.

LUX در سال 2010 نصب شد و داده‌های حاصل از 3 ماه فعالیت آن در سال 2013 تحلیل شد، که هیچ گونه برخورد با ماده تاریک را نشان نمی‌داد. حال، گروه پژوهش‌گران LUX داده‌های به دست آمده از اکتبر 2014 تا ماه می 2016 (آخرین دور آزمایش) را تحلیل کرده‌اند. نیم‌میلیون گیگابایت داده با استفاده از تجهیزات محاسباتی سطح بالای دانشگاه براون در رود ایسلند و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی واقع در کالیفرنیا پردازش شده است.

Simon Fiorucci از آزمایشگاه برکلی می‌گوید: «در نتایج به دست‌آمده هیچ ابهامی وجود ندارد که از این لحاظ می‌توانیم به آن‌ها افتخار کنیم. این یافته‌ها در این حوزه بسیار رقابتی نتایجی به‌هنگام محسوب می‌شوند، هرچند آن‌چه را که امید به آشکارسازی‌اش داشتیم، نیافتیم».

WIMPها هم‌چنان به قوت خود باقی می‌مانند

نتیجه‌ای که LUX کسب کرد (عدم مشاهده ماده تاریکی) می‌تواند به فیزیک‌پیشگان برای درک بهتر ماده تاریک کمک کند زیرا داده‌های ارزشمندی را در اختیار آنان می‌گذارد، درباره این‌که ماده تاریک چگونه نیست. این موضوع به فیزیک‌پیشگان اجازه می‌دهد که با حذف گستره وسیعی از جرم ذرات احتمالی و توانایی برهم‌کنش با ماده عادی، مدل‌های خود برای ماده تاریک را دقیق‌تر کنند. با وجود اینکه چنین نتیجه‌ای ممکن است به منزله اخبار بد برای مدل WIMP باشد، Gaitskell می‌گوید این نظریه هم‌چنان «به قوت و حیات خود باقی» می‌ماند.

فیزیک‌پیشگان فعال در LUX در جست‌وجوی ذرات فرضی دیگری که ممکن است ماده تاریک را تشکیل دهند، نظیر آکسیون‌ها و ذرات شبه-آکسیونی، در حال پردازش داده‌هایشان هستند.

حال که LUX خاموش شده است، توجه بسیاری از فیزیک‌پیشگان به سوی جایگزینی برای این آزمایش، یعنی آزمایش LUX-ZEPLIN معطوف شده است. برای ساخت LUX-ZEPLIN در استنفورد، از 7000 کیلوگرم زنون مایع استفاده خواهد شد و انتظار می‌رود نسبت به LUX، 70 بار حساس‌تر باشد. این آزمایش در سال 2020 شروع به کار خواهد کرد.

این نتایج دیروز در کنفرانس شناخت ماده تاریک، سال 2016 در شفیلد انگلیس ارائه شد. PDF این ارائه برای دانلود موجود است.

نویسنده: Hamish Johnston ویراستار نشریه  physicsworld.com

منبع: World's most sensitive dark-matter search comes up empty handed