تصویر ۱. برخورد ذره‌ی ورودی به اتم‌های درون مخزن XENON1T، فوتون و الکترون‌هایی آزاد می‌کند که توسط دستگاه‌های تشدیدکننده‌ی نور در بالا و پایین مخزن آشکارسازی می‌شود. گروه همکاری سیگنال‌های بیشتری گزارش کرده است که به‌راحتی نمی‌توان آنها را بااستفاده‌از مدل استاندارد ذرات یا نوفه (نویز) پس‌زمینه توضیح داد.^۱

به‌نظر می‌رسد ماده‌ی تاریکی که در جهان پخش شده است کاملاً بدونِ‌کنش است، به‌همین دلیل پیدا کردن سرنخی از آن بسیار مشکل است. اکنون نتیجه‌ی غیرمنتظره‌ی آزمایش XENON1T موجی از هیجان درمیان شکارچیان ماده‌ی تاریک ایجاد کرده است. گروه همکاری XENON طی پانزده سال گذشته یکی از ساکت‌ترین و تاریک‌ترین محیط‌های آزمایشگاهی روی زمین را طراحی کرده است – مجموعه‌ای بی‌نقص برای تشخیص ذره‌ی ماده‌ی تاریکِ گریزپا. اکنون گروه همکاری درخشش‌های نوری غیرمنتظره‌ای را گزارش کرده است که نمی‌توان به‌راحتی با نوفه ‌زمینه آن را توضیح داد اما با انتظارات مبتنی بر مدل‌های ماده‌ی تاریک معمول نیز مطابقت ندارد^۲. اکنون چشم‌انداز یک کشف پرمغز باعث شروع فعالیت‌هایی با هدف توضیح این نتایج وسوسه‌انگیز شده است (مقاله‌ی Theorists React to Potential Signal in Dark Matter Detector را ببینید).

همیشه هدف اصلی XENON آشکارسازی نوع خاصی از ذره‌ی ماده‌ی تاریک بوده است که ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMP) نامیده می‌شود. در یک آزمایشگاه زیرزمینی در عمق زمین در گران ساسو در ایتالیا، گروه همکاری مخزن بزرگی از زنونِ مایعِ تصفیه‌شده آماده کرد که با لوله‌های تشدیدکننده‌ی فوتوالکتریک احاطه شده است. WIMP گذرنده از درون مخزن به‌قدر کافی سخت به اتم‌های زنون برخورد می‌کنند و می‌توانند نور قابلِ‌رؤیتی تولید کنند (شکل ۱). XENON و آزمایش‌های مشابه تلاش بسیاری برای کنترل نوفه پس‌زمینه دارند که ممکن است مثل یک سیگنال دیده شود، به‌ویژه سهم آثار ایزوتوپ‌های رادیواکتیو در مجموعه یا محیط را کاهش دهند.

نتایج از حساس‌ترین نسخه‌ی این آزمایش - XENON1T، با ۲ تن زنونِ فوقِ‌خالص در مخزن، به‌دست‌ آمده است. محققان در داده‌هایی که طی یک سال به‌دست آمده ۲۸۵ رخداد در محدوده‌ی انرژی‌ای آشکارسازی کرده‌اند،‌ درحالی‌که انتظار ۲۳۲ رخداد را داشتند – اضافه‌ای با اهمیت آماری ۳.۵ سیگما. هرچند به‌نظر نمی‌رسد این رخدادها از WIMPها ناشی شده باشند. ازآنجاکه WIMPها با هسته‌ی اتم برهم‌کنش می‌کنند، نسبت الکترون به فوتون موردِانتظار کوچک است. نسبت بالای رخدادهای گزارش‌شده نشان‌دهنده‌ی این است که از ذراتی می‌آیند که با الکترون‌های اتم‌ها برهم‌کنش دارند.

محققان XENON سه توضیح احتمالی برای داده‌های خود را تجزیه‌وتحلیل کردند: ذرات تابیده‌شده از خورشید، بوزون‌های ماده‌ی تاریکی که رفتاری متفاوت از WIMPها دارند، و ردّپای آلاینده‌های رادیواکتیویته.

هسته‌ی خورشید یک راکتور هسته‌ای است که در دمای ۱۵میلیون درجه‌ی کلوین می‌سوزد، حمامی از ذرات با انرژی کافی برای ایجاد سیگنالی مانند سیگنال تولیدشده در XENON1T تولید می‌کند. بیشتر این ذرات با مواد چگال اطراف در هسته‌ی خورشیدی گیر می‌افتند. اما موادی که فقط برهم‌کنش ضعیف با ماده دارند می‌توانند از خورشید فرار کنند. ممکن است این توضیح هیچ ارتباطی با ماده‌ی تاریک نداشته باشد، اما نیازمند ذرات یا برهم‌کنش‌هایی است که فراتر از آنچه که می‌دانیم است.

نوترینو – محصول جانبی همجوشی در هسته‌ی خورشید – اولین احتمال است. این نوترینوها مي‌توانند به‌راحتی به آشکارساز XENON1T برسند، اما انتظار نمی‌رود سیگنال زیادی در آنجا تولید کنند. هرچند اگر نوترینوها اندازه‌حرکت مغناطیسی بزرگ‌تری نسبت به مقدار پیش‌بینی‌شده در مدل استاندارد داشته باشند، می‌توان سیگنال‌ها را توضیح داد. احتمال دوم، نوع جدیدی از ذرات، اکسیون، است که می‌تواند طی برهم‌کنش‌های الکترون‌ها، فوتون‌ها یا هسته‌ در خورشید تولید شوند. این سناریو جذاب است، زیرا اکسیون‌ها معمای غیرمرتبط و درعین‌حال مهم موسوم به مشکل CP قوی را حل می‌کنند. بااین‌حال هم فرضیه‌ی نوترینوهای غیراستاندارد و هم اکسیون‌های خورشیدی با رصدهای جمعیت‌های ستاره‌ای هماهنگ نیستند: اگر این ذرات به مقدار کافی برای توضیح سیگنال XENON1T از خورشید تابش شوند، باید از دیگر ستارگان نیز تابش شوند و این تابش‌ها باعث سریع‌تر سرد شدن آنها (ستارگان) می‌شود. یکی از نتایج آن این است که باید کوتوله‌های سفید درخشان بسیار کمتری نسبت به رصدها وجود داشته باشد.^{۳ و ۴}

خیره‌کننده‌ترین توضیح این است که XENON1T نشانه‌هایی از ماده‌ی تاریک می‌بیند، نه WIMPهایی که به‌دنبال آنها بود. درحالی‌که WIMP با اتم برخورد می‌کنند یا از آن پراکنده می‌شوند، یک ذره‌ی ماده‌ی تاریک بوزونی می‌تواند جذبِ اتم شود^۵. در چنین جذبی، مشابه اثر فوتوالکتریک، فوتون‌ها فوتو‌الکترون تولید می‌کنند، جذب یک بوزون می‌تواند الکترون را از اتم آزاد کند. در این مورد انرژی برخورد مربوط به جرم ذره‌ی ماده‌ی تاریک است. دو کاندید امیدوارکننده‌ی ماده‌ی تاریک با جرم حدود ۲ کیلوالکترون‌ولت با این توضیح سازگارند. اولی اکسیون با جرمی بزرگ‌تر از جرم اکسیون‌های خورشیدی گفته‌شده در بالا است. دومی فوتون تاریک است، خویشاوند سنگین‌تر فوتون‌های معمولی با برهم‌کنش‌های بسیار ضعیف‌تر با ماده. گروه همکاری XENON تخمین می‌زند که اگر فوتون‌های تاریک با نرخ ^۳۰-۱۰ مرتبه کمتر از فوتون‌های معمولی جذب شوند، می‌توانند سیگنال را توضیح دهند.

نکته‌ی پیچیده‌ی قابلِ‌توجه در همه‌ی تفسیرهای فیزیکی عجیب‌وغریب، سهم احتمالی پس‌زمینه‌ای است که مشخص کردن آن سخت است. XENON طی سال‌ها کار موانع پس‌زمینه‌ای بی‌سابقه‌ای به‌دست آورده است، اما برخی رادیواکتیویته‌ها‌ی ضعیف و ناخواسته باقی مانده است. برخی از این پس‌زمینه‌ها را می‌توان به ایزوتوپ‌های مختلف زنون، کریپتون، ید و سرب نسبت داد که حضور آنها را می‌توان با اندازه‌گیری‌های مستقل سنجید. اما سهم دیگر مواد، مانند تریتیوم، به‌خوبی مشخص نیستند. اگر آشکارساز دارای فقط ۳ اتم تریتیوم در هر کیلو زنون باشد، واپاشی بتای تریتیوم به‌تنهایی می‌تواند وجود سیگنال را توضیح دهد. محققان اذعان مي‌کنند که برای رد این سناریو اطلاعات کافی ندارند. ممکن است این آزمایش‌های ماده‌ی تاریک در مقیاس چند تن آن‌قدر حساس شده باشد که این آلودگی بسیار جزئی را، که نمی‌توان آن را مستقلاً آزمود، گرفته باشد.

سیگنال، با اهمیت ۳.۵ سیگما، ارزش توجه کردن دارد اما قطعی نیست. اما نیازی نیست خیلی منتظر بمانیم تا ببینیم کدام‌یک از این تفسیرها آشکار می‌شوند. XENONnT، جانشین XENON1T با مخزن بزرگ‌تر و پس‌زمینه‌ی کمتر دردست اقدام است. دو آزمایش مشابه، LUX-ZEPLIN در آمریکا و PandaX در چین، نیز ارزش خواهند داشت. ازآنجا‌که احتمالاً پس‌زمینه‌ی رادیواکتیویته به آشکارساز بستگی دارد، یافتن سیگنال سازگار طی آزمایش‌های چندگانه قابلِ‌توجه خواهد بود. علاوه‌براین جمع‌آوری رخدادهای آشکارسازی بیشتر به محققان اجازه خواهد داد تا طیف انرژی دقیق‌تری برای این رخدادها بسازند که می‌تواند به آنها اجازه دهد تا فرضیه‌های مختلف برپایه‌ی طیف موردِانتظار را بررسی کنند.

ایده‌های پیرامون این نتیجه نشان مي‌دهد که چطور چشم‌انداز ماده‌ی تاریک درحال رشد است. اکنون مطالعات فراوانی دیگر ایده‌های فیزیک ذرات را برای توضیح به‌کار گرفته‌اند. برخی از این راه‌های اکتشاف به‌دنبال سازگاری ذره‌ی خورشیدی با رصدهای جمعیت ستارگان است. دیگران اشاره می‌کنند که می‌توان سیگنال را با نظریه‌های ماده‌ی تاریک شامل ذرات چندگانه با جرم‌های مختلف توضیح داد. اما ممکن است نتیجه‌ی جدید گام هیجان‌انگیزی به‌سمت ناشناخته‌ها باشد.

منبع:

https://physics.aps.org/articles/v13/135

نویسنده:

تونگیان لین (Tongyan Lin)، استادیار دانشگاه کالیفرنیا در سن‌دیگو است. او دکترای تخصصی خود را از دانشگاه هاروارد گرفته و مدرک فوق‌دکترا از دانشگاه شیکاگو و بورس مشترک دیگری با آزمایشگاه لارنس برکلی و دانشگاه کالیفرنیا در برکلی داشته است. تحقیقات او بر مدل‌ها یفیزیک ذراتِ ماده‌ی تاریک و روش‌های آزمون آنها با رصدها یا آزمایش‌ها است. علاقمندی وی شامل طیف وسیعی از کاوش‌گرهای ماده‌ی تاریک، از جستجوهای اخترفیزیکی و کیهان‌شناسی تا شتاب‌دهنده‌ها و روش‌های مستقیم اشکارسازی است.

مراجع:

۱.

E. Aprile et al. (XENON Collaboration), “Excess electronic recoil events in XENON1T,” Phys. Rev. D 102, 072004 (2020).

۲.

E. Aprile et al. (XENON Collaboration), “Dark matter search results from a one ton-year exposure of XENON1T,” Phys. Rev. Lett. 121, 111302 (2018).

۳.

M. M. Miller et al., “Revisiting the axion bounds from the Galactic white dwarf luminosity function,” J. Cosmol. Astropart. Phys. 2014, 069 (2014).

۴.

S. Arceo Díaz et al., “Constraint on the axion-electron coupling constant and the neutrino magnetic dipole moment by using the tip-RGB luminosity of fifty globular clusters,” arXiv:1910.10568 .

۵.

M. Pospelov et al., “Bosonic super-WIMPs as keV-scale dark matter,” Phys. Rev. D 78, 115012 (2008).