آیا نخستین نشانهٔ مستقیم از «مادهٔ تاریک» دیده شده است؟

چهارشنبه ۱۱ شهریور ‍۱۴۰۵

یک رویداد منفرد در آشکارساز بزرگ LZ در آمریکا (LUX-ZEPLIN Detector) بار دیگر جست‌وجوی مادهٔ تاریک (Dark Matter) را به یکی از هیجان‌انگیزترین موضوع‌های فیزیک ذرات تبدیل کرده است.

پژوهشگران در داده‌های این آزمایش رویدادی با انرژی غیرمعمول بسیار زیاد پیدا کرده‌اند که با آنچه انتظار می‌رود در اثر برخورد یک ذرهٔ مادهٔ تاریک با هستهٔ اتم زنون رخ دهد سازگار است.

اما فعلاً باید تأکید کرد که پژوهشگران نمی‌گویند مادهٔ تاریک را کشف کرده‌اند. آنچه مشاهده شده فقط یک رویداد است و هنوز نمی‌توان با اطمینان گفت منشأ آن مادهٔ تاریک بوده است.

آزمایش LZ در تأسیسات زیرزمینی Sanford در داکوتای جنوبی قرار دارد و از حدود ۱۰ تُن زنون مایع فوق‌خالص برای جست‌وجوی مستقیم ذرات مادهٔ تاریک استفاده می‌کند. این آزمایش به‌دنبال فلش‌های بسیار ضعیف نوری و سیگنال‌های حاصل از پس‌زنی هسته‌های زنون در اثر برخورد ذرات پرانرژی است.

پژوهشگران این بار داده‌های ۲۲۰ روز مشاهده، از مارس ۲۰۲۳ تا آوریل ۲۰۲۴ را بررسی کردند. برخلاف جست‌وجوهای معمول که عمدتاً روی رویدادهای کم‌انرژی متمرکزند، این تحلیل دامنهٔ انرژی را تا ۲۷۰ کیلوالکترون‌ولت گسترش داد.

نتیجه شگفت‌انگیز بود

پس از حذف رویدادهایی که انتظار می‌رفت ناشی از پس‌زمینه‌های شناخته‌شده یا داده‌های مصنوعیِ واردشده برای جلوگیری از سوگیری پژوهشگران باشند، تنها یک رویداد غیرعادی باقی ماند.

این رویداد باعث پس‌زنی هسته‌ای با انرژی حدود ۲۴۸ کیلوالکترون‌ولت شده بود. برآورد پژوهشگران نشان می‌دهد اگر این رویداد واقعاً ناشی از برخورد یک ذره مادهٔ تاریک باشد، جرم آن ذره دست‌کم در حدود ۲۰۰ گیگاالکترون‌ولت و احتمالاً نزدیک به ۱۰۰۰ گیگاالکترون‌ولت خواهد بود؛ یعنی ذره‌ای با جرمی صدها تا هزار برابر جرم تقریبی پروتون.

این محدوده از جرم و رفتار دقیقاً با یکی از قدیمی‌ترین نامزدهای مادهٔ تاریک، یعنی WIMPها یا همان «ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف» سازگار است. WIMPها چند دهه است که یکی از گزینه‌های اصلی برای توضیح دادن مادهٔ تاریک محسوب می‌شوند، اما جست‌وجوهای متعدد در آشکارسازهای زمینی و همچنین آزمایش‌هایی مانند برخورددهندهٔ بزرگ هِدرونی تا کنون شواهد قطعی از وجود آنها پیدا نکرده‌اند.

با این حال، یک مشکل اساسی وجود دارد: یک رویداد به‌تنهایی برای کشف یک ذره کافی نیست.

فیزیک‌دانان باید احتمال توضیح‌های معمول‌تر، از جمله انواع پس‌زمینه‌های ناشناخته یا بسیار نادر را با دقت بررسی کنند. حتی برخی پژوهشگران اشاره کرده‌اند که اگر این رویداد واقعاً حاصل برخورد WIMP باشد، انتظار می‌رود تعداد بیشتری پس‌زنی در انرژی‌های پایین‌تر نیز مشاهده شود، چیزی که تا کنون در داده‌های LZ دیده نشده است.

این نکته اهمیت زیادی دارد، زیرا در گذشته نیز در چند آزمایش نشانه‌هایی پیدا کرده بودند که در ابتدا امیدوارکننده به نظر می‌رسیدند، اما بعدها مشخص شد ناشی از پس‌زمینه یا خطاهای آماری و تجربی بوده‌اند.

بنابراین، وضع فعلی را بهتر است این‌گونه توصیف کرد: LZ یک رویداد بسیار غیرمعمول و بالقوه سازگار با مادهٔ تاریک مشاهده کرده است، اما هنوز هیچ کشفی صورت نگرفته است.

اهمیت ماجرا در این است که آزمایش‌های دیگری مانند XENONnT در ایتالیا و PandaX در چین نیز داده‌هایی با حساسیت مشابه در اختیار دارند.

اگر این رویداد واقعاً ناشی از ذره‌ای از مادهٔ تاریک باشد، احتمالاً این آزمایش‌ها نیز باید رویدادهای مشابهی مشاهده کنند.

در واقع، همین قابلیت تکرارپذیری است که می‌تواند سرنوشت این سیگنال را مشخص کند. اگر در داده‌های مستقل تعداد بیشتری رویداد با ویژگی‌های مشابه پیدا شود، شواهد به‌سرعت تقویت خواهد شد. اما اگر این رویداد تنها رویداد باقی بماند، محتمل‌ترین توضیح همچنان می‌تواند یک پس‌زمینهٔ نادر و ناشناخته باشد.

از سوی دیگر، اگر این سیگنال واقعاً تایید شود، پیامد آن عظیم خواهد بود: نه‌تنها نخستین شواهد مستقیم از یک ذرهٔ مادهٔ تاریک به دست آمده، بلکه یکی از مشهورترین ایده‌های چند دههٔ اخیر فیزیک ذرات، یعنی وجود WIMPها، نیز به‌طور تجربی تأیید خواهد شد.

اما فعلاً دانشمندان محتاط‌اند و همین احتیاط بخش مهمی از علم است.

یک نقطهٔ داده می‌تواند آغاز یک کشف تاریخی باشد، اما خودش هنوز کشف تاریخی نیست.

از کانال افق رویداد