سیگنالی غیرقابل‌توضیح در آزمایش ماده تاریک
محققان می‌گویند سه توضیح احتمالی برای داده‌های غیرعادی وجود دارد. یکی از آنها منشاء زمینی دارد و دو توضیح دیگر فیزیک را متحول خواهد کرد.
فیزیک‌دان‌هایی که حساس‌ترین جستجوی آزمایشگاهی جهان به‌دنبال ماده تاریک را راه‌اندازی کرده‌اند، چیز عجیبی دیده‌اند. آنها رخدادهای غیرمنتظره زیادی در آشکارساز خود کشف کرده‌اند که می‌تواند با مشخصات ذره (بنیادی) فرضی ماده تاریک، موسوم به اکسیون متناسب باشد. از سوی دیگر این داده‌ها با ویژگی‌های جدید نوترینوها توصیف می‌شود.
خیلی عادی‌تر، این سیگنال می‌تواند ناشی از آلودگی‌های داخلی آزمایش باشد.
لوکا گراندی ، فیزیک‌دانی از دانشگاه شیکاگو و یکی از سرپرستان آزمایش ۱۶۳نفره که آن را XENON۱T نامیده‌اند، می‌گوید: با وجود هیجان بسیار زیاد، باید خیلی صبور باشیم. جایگزین آزمایش باید آلودگی محتمل از اتم‌های تریتیوم را رد کند. انتظار می‌رود که آزمایش اواخر امسال آغاز شود.
دیگر متخصصان می‌گویند هر وقت توضیحات خسته‌کننده باشد، معمولا درست است. اما نه همیشه و صرف احتمال این‌که XENON۱T چیز جدیدی کشف کرده باشد شایسته توجه است.
آدام فالکوفسکی ، فیزیک‌دان ذرات بنیادی در دانشگاه پاریس-ساکلیِ در فرانسه که با این آزمایش همکاری نمی‌کند، گفت اگر این ذره به یک ذره جدید تبدیل شود، پیشرفت غیرمنتظره‌ای است که حدود ۴۰ سال است منتظر آنیم. اگر واقعیت داشته باشید آن قدر مهم است که نمی‌توانید اهمیت آن را بیان کنید.
فیزیک‌دانان ذرات بنیادی مدت‌های طولانی به‌دنیال فهرست کامل‌تری از طبیعت بوده‌اند، فراتر از مجموعه ذرات و نیروهای معروف به مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی. و آزمایش‌هایی مانند XENON۱T به مدت ۲۰ سال به‌طور خاص ذرات ناشناخته‌ای را شکار کرده‌اند که دربردارنده ماده تاریک است، ماده نامرئی‌ای که وزن گرانشی خود را روی همه دنیا انداخته است.
کاترین زورِک ، فیزیک‌دان نظری از موسسه فناوری کالیفرنیا، می‌گوید اگر سیگنال XENON۱T ناشی از اکسیون، کاندید برتر ماده تاریک، یا نوترینوهای غیراستاندارد باشد، به‌وضوح بسیار هیجان‌انگیز است. بااین‌حال اکنون توصیف منشاء زمینی تریتیوم، به نظر من، محتمل‌تر است.
نتایج توصیف‌شده در مقاله انبوه رخدادهای موسوم به «پس‌زنی الکترونیکی» در آشکارساز XENON۱T است. این آشکارساز با مخرن حس‌گر خطی با ظرفیت ۲/۳ تن زنون خالص، هزاران فوت زیر گرن ساسو (کوهستانی در ایتالیا) قرار دارد. زنون، که از لحاظ شیمیایی یک گاز نجیب و عنصر بی‌اثر است، استخر آرامِ خلوتی ایجاد می‌کند که بدون هیچ رفت‌وآمدی، در آن به‌دنبال موجک‌های ذرات ناشناخته می‌گردند.
در ابتدا مجموع آزمایش‌های XENON برای جستجو به‌دنبال ذرات فرضی ماده تاریک سنگین که ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف یا WIMP نامیده می‌شود، طراحی شده بود. هر WIMP که از آشکارساز بگذرد باید گاه‌گاه با هسته‌های زنون برخورد کند که باعث ایجاد یک جرقه نور می‌شود.
اما محققان پس از ۱۴ سال جستجو با آشکارسازهای هرچه بزرگ‌تر و حساس‌تر، این پس‌زنی‌های هسته‌ای را دیده‌اند. آزمایش‌های رقیب که به‌دنبال پس‌زنی‌های هسته‌ای در مخزن‌هایی از مواد و دیگر عناصر نجیب می‌گشتند، چنین چیزی ندیدند. النا آپریل ، فیزیک‌دان ذرات بنیادی در دانشگاه کلمبیا، که روش آشکارسازی برپایه زنون را اختراع کرده و از آن زمان تاکنون سرپرست آزمایش‌های XENON بوده است می‌گوید: این کار یک کار حماسی بود و همه ما از جان گذشته‌ایم.
چندین سال پیش وقتی جستجو به‌دنبال
WIMP
نتیجه نداد، دانشمندان
XENON
متوجه شدند که می‌توانند از آزمایش خود برای جستجو به‌دنبال دیگر انواع ذرات ناشناخته‌ای که ممکن است از درون آشکارساز بگذرد استفاده کنند: ذراتی که به جای هسته زنون با الکترون برخورد کنند.
آنها پیش از این، این «پس‌زنی‌های الکترونیکی» را به‌عنوان نویز (نوفه) پس‌زمینه تلقی می‌کردند و درواقع بسیاری از این رخدادها ناشی از منابع زمینی مانند ایزوتوپ‌های کریپتون و سرب رادیواکتیو بود. اما محققان پس از ایجاد اصلاحات در طی سال‌ها برای کاهش قابل‌توجه آلودگی‌های زمینه‌ای دریافتند می‌توانند به‌دنبال سیگنال‌هایی با نویزهای بسیار کم باشند.
فیزیک‌دان‌ها در تجزیه‌وتحلیل جدید خود پس‌زنی‌های الکترونیکی در داده‌های XENON۱T در اولین سال آن را بررسی کردند. آنها انتظار داشتند که حدود ۲۳۲ پس‌زنی ناشی از منابع مشخصی از آلودگی‌های پس‌زمینه ببینند. اما ۲۸۵ مورد مشاهده شد، ۵۳ مورد اضافه که به‌معنای منابع شمارش‌نشده بود.
گروه این یافته را حدود یک سال پنهان کرد. آپریل گفت ما کار می‌کردیم و کار می‌کردیم و سعی داشتیم آن را بفهمیم، منظورم دانشجویان بیچاره است! پس از رد شدن همه منابع خطای ممکن محققان سه توضیح داشتند که با اندازه و شکل ضربه‌ها در طرح داده‌ها هماهنگ بود.
اول و شاید هیجان‌انگیزترین آنها «اکسیون خورشیدی» بود، ذره‌ای فرضی که درون خورشید تولید می‌شود و شبیه فوتون با جرم کمتر است. اما اگر آزمایش اکسیون‌های خورشیدی را آشکارسازی کرده بود به این مفهوم بود که اکسیون وجود دارد. پیتر گراهام ، فیزیک‌دان ذرات بنیادی در دانشگاه استفورد که درباره اکسیون‌ها و راه‌های آشکارسازی آنها نظریه‌پردازی کرده می‌گوید چنین اکسیون‌هایی می‌توانست در ابتدای عالم هم تولید شود و بعدها جزئی از ماده تاریک را تشکیل دهد.
محققان می‌گویند انرژی اکسیون‌های خورشیدی در ضربه‌های XENON۱T با ساده‌ترین مدل‌های اکسیون ماده تاریک منطبق نیست، اما احتمالا بتوان آن را با مدل‌های پیچیده‌تر تطبیق داد.
احتمال دیگر این است که ممکن است نوترینوها، اسرارآمیزترین ذرات شناخته‌شده طبیعت، گشتاور مغناطیسی بزرگی داشته باشند، به این معنا که مثل یک آهن‌ربای میله‌ای کوچک‌اند. چنین ویژگی‌ای به آنها اجازه می‌دهد تا با نرخ روبه‌افزایشی با الکترون‌ها پراکنده شوند که پس‌زنی‌های الکترونیکی اضافی را توضیح می‌دهد. گراهام گفت نوترینوها گشتاور مغناطیسی‌ای دارند که «باید خیلی هیجان‌انگیز باشد، چراکه نشان‌دهنده فیزیک جدید ورای مدل استاندارد است.»
اما این احتمال هم وجود دارد که رد مقداری تریتیوم، یک ایزوتوپ کمیاب هیدروژن، در مخزن زنون وجود داشته باشد و واپاشی رادیواکتیو آنها باعث ایجاد پس‌زنی‌های الکترونیکی شود. گروه XENON۱ در مقاله خود نوشته است این احتمال را نه می‌توان رد و نه می‌توان تایید کرد.
محققان خارج از تحقیق، همچون فالکوفسکی، می‌گویند «پرچم قرمز نه، ولی پرچم نارنجی وجود دارد» که به پاسخ کسل‌کننده اشاره دارد. از آن مهم‌تر، اگر خورشید اکسیون تولید کند، همه ستاره‌ها نیز این کار را می‌کنند. این اکسیون‌ها بخش کوچکی از انرژی ستاره را از آن خارج می‌کنند، مانند بخار آبی که انرژی یک کتری درحال جوش را از آن خارج می‌کند. در ستاره‌های بسیار داغ مانند غول‌های قرمز و کوتوله‌های سفید، که تولید اکسیون در آنها باید بیشتر باشد، این ازدست‌دادن انرژی برای سرد شدن ستاره کافی است. زورک می‌گوید یک کوتوله سفید آن‌قدر اکسیون تولید می‌کند که ما امروزه در اطراف خود هیچ کوتوله سفید داغی نمی‌دیدیم.
نوترینوهای با گشتاور مغناطیسی بزرگ‌تر نیز به همین ترتیب موردتوجه نیست: بیشتر آنها در مقایسه با نوترینوهای استاندارد به‌طور خودبه‌خود درون ستاره‌ها تولید می‌شوند، بیشتر انرژی ستاره را از آن بیرون می‌کشند و ستاره‌های داغ را بیشتر از آنچه می‌بینیم سرد می‌کنند.
اما ممکن است این استدلال ناقص باشد، یا برخی ذرات یا آثار دیگر ضربه‌های XENON۱T را توصیف کند. خوشبختانه نیازی نیست تا جامعه فیزیک زمان طولانی منتظر پاسخ بنشیند؛ جانشین آزمایش XENON۱T ، آزمایش XENONnT که پس‌زنی‌ها را در مخزن ۳/۸ تنی زنون کنترل خواهد کرد، در راه است تا در اواخر امسال شروع به جمع‌آوری داده کند. گرند می‌گوید اگر مقدار اضافی در همان سطح وجود داشته باشد، انتظار داریم که بتوانیم طی چند ماه از بین احتمالات مختلف آنها را مشخص کنیم.
خوان کولار ، فیزیک‌دان ماده تاریک در دانشگاه شیکاگو که در آزمایش مشارکت ندارد، می‌گوید یک چیز روشن است. برنامه XENON ادامه می‌یابد تا درزمینه ماده تاریک پیشگام باشد. حساس‌ترین آزمایش برای رسیدن به آنچه غیرقابل‌انتظار است اولین خواهد بود، و XENON ادامه می‌یابد تا با چنگ زدن به موقعیت باارزشی برسد و آن را حفظ کند.
منبع: https://www.quantamagazine.org/dark-matter-experiment-finds-unexplained-signal-20200617/
نویسنده: ناتالی ولکوور (Natalie Wolchover)