یک گروه بین‌المللی از فیزیک‌دانان در پژوهش جدیدی، راهی را برای افزایش دادن حساسیت آشکارساز «BabyIAXO» پیشنهاد کرده‌اند که در حال حاضر در مرحله توسعه است. از این فناوری برای جستجوی ذرات بنیادی فرضی موسوم به «آکسیون» (Axion) استفاده خواهد شد که گزینه‌های امیدوارکننده‌ای برای ماده تاریک در نظر گرفته می‌شوند.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، وجود ماده تاریک از طریق مشاهدات نجومی متعددی آشکار شد که نشان دادند مقدار مشاهده شده از ماده معمولی، برای توضیح دادن مسیر ستاره‌ها و کهکشان‌های جهان ما کافی نیست. نام ماده تاریک به این دلیل انتخاب شده است که نور را ساطع، جذب یا بازتاب نمی‌کند و همین ویژگی، تشخیص دادن آن را دشوار می‌سازد.

اگرچه ماده تاریک احتمالا حدود پنج برابر بیشتر از ماده معمولی در کیهان وجود دارد، اما فیزیک‌دانان هنوز قادر به شناسایی ذرات بنیادی تشکیل‌دهنده آن نیستند و همین موضوع موجب می‌شود تا گزینه‌های عجیب و مختلفی را در نظر بگیرند که تعامل بسیار ضعیفی را با ذرات دیگر دارند.

آکسیون‌ها

یکی از جالب‌ترین و فعال‌ترین این ذرات، آکسیون‌ها هستند. «کریستین کوگولوس» (Cristian Cogollos) پژوهشگر «مؤسسه فیزیک ماکس پلانک» (MPP) در آلمان و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: آکسیون یک ذره فرضی است که مدل استاندارد فیزیک ذرات را گسترش می‌دهد و برخی از پرسش‌های بدون پاسخ در فیزیک بنیادی را مانند مسئله برابری بار در تئوری تعامل‌های قوی موسوم به کرومودینامیک کوانتومی حل می‌کند.

وی افزود: آکسیون‌ها ذرات بسیار سبکی هستند که ممکن است در مراحل اولیه کیهان به صورت انبوه تولید شده و پس از سرد شدن، به راحتی چگالی ماده تاریک کنونی را تشکیل داده باشند.

اگرچه ماده تاریک متشکل از آکسیون‌ها یک فرضیه جالب است، اما ضعف تعامل آن‌ها با ماده معمولی، هر جستجوی تجربی برای یافتن آن‌ها را به یک مشکل بسیار چالش‌برانگیز تبدیل می‌کند. در هر حال، اعتقاد بر این است که تعامل وجود دارد و از طریق آن می‌توان آکسیون‌ها را مشاهده کرد. براساس پیش‌بینی‌های نظری، یک محور باید در یک میدان مغناطیسی قوی به «فوتون» تبدیل شود که مولفه اولیه نور است.

کوگولوس گفت: آکسیون یک ماده تاریک است که تعامل بسیار ضعیفی دارد. بنابراین، این نظریه به آزمایش‌های تشخیص آکسیون نیاز دارد تا مقابله با محیط‌های سرد برای کاهش نویز و ایجاد میدان‌های مغناطیسی قوی برای افزایش روند تبدیل آکسیون به فوتون انجام شود.

وی افزود: یکی از چالش‌های اصلی برای تشخیص دادن آکسیون ماده تاریک، عدم آگاهی از جرم دقیق آن است. مدل‌های نظری مختلف، محدوده‌های خاص جرم را مطلوب‌تر از سایرین پیش‌بینی می‌کنند، اما ما جرم‌محوری را برای هدف دادن به جستجو‌های خود نداریم. این امر، نیاز به آزمایش‌های پیرامون ماده تاریک را پدید می‌آورد که برای توده‌های مختلف قابل تنظیم کردن باشند و در عین حال، حساسیت آن‌ها را برای کل محدوده اکتشاف به حداکثر برسانند.

تقویت کردن آشکارساز BabyIAXO

نمونه‌های بسیاری از آشکارساز‌های آکسیون در سراسر جهان وجود دارند که شناخته‌شده‌ترین آن‌ها «ADMX» و «HAYSTAC» در آمریکا و «CAST» در سوئیس هستند، اما تاکنون هیچ یک از آن‌ها نتیجه مثبتی نداشته است.

جامعه فیزیک برای پیشبرد جستجوی آکسیون‌ها، یک آشکارساز نسل بعدی موسوم به نام «رصدخانه بین‌المللی آکسیون» (IAXO) را پیشنهاد کرده است که حساسیت بسیار بیشتری دارد. انتظار می‌رود این فناوری بسیار پیچیده و گران باشد. بنابراین، دانشمندان تصمیم گرفتند ابتدا یک نسخه ساده‌شده به نام BabyIAXO را بسازند تا فناوری‌هایی را آزمایش کنند که قرار است در IAXO پیاده‌سازی شوند.

کوگولوس توضیح داد: BabyIAXO یک هلیوسکوپ در مقیاس بزرگ است که برای جست‌وجوی آکسیون‌های نشات‌گرفته از خورشید طراحی شده و در حال حاضر در دست توسعه قرار دارد. پیشنهاد شده است که BabyIAXO در «مرکز تحقیقات فیزیک ذرات» (DESY) در هامبورگ نصب شود. این هلیوسکوپ دارای یک آهن‌ربا دارای دو سوراخ به طول ۱۰ متر و قطر ۷۰ سانتی‌متر با میدان مغناطیسی عمدتا همگن و بسیار قوی است. حجم زیاد BabyIAXO حساسیت آزمایش را در مقایسه با آزمایش‌های دیگر به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد.

فیزیک‌دانان بر این باورند که این آزمایش به آن‌ها امکان می‌دهد تا یک آکسیون را در صورتی که جرم آن در محدوده ۰.۰۱ تا یک الکترون ولت باشد، تشخیص دهند.

برای اینکه آکسیون یک گزینه معتبر برای ذرات تشکیل‌دهنده ماده تاریک باشد و تنها برای حل مسائل خاص در کرومودینامیک کوانتومی به کار نرود، باید سبک‌تر باشد؛ بنابراین کوگولوس و همکارانش، راهی را برای اصلاح کردن BabyIAXO به منظور کاهش دادن محدودیت جرم قابل تشخیص آکسیون پیشنهاد کردند.

پژوهش کوگولوس و همکارانش نشان می‌دهد که این امر پس از تکمیل شدن BabyIAXO با حفره‌های تشدید ویژه‌ای که در سوراخ آهن‌ربا‌ها تعبیه شده‌اند، امکان‌پذیر است. اگر جرم محور میلیون‌ها یا حتی میلیارد‌ها بار کمتر از جرمی باشد که BabyIAXO برای جستجوی آن طراحی شده است، آهن‌ربا‌ها سیگنال را تقویت می‌کنند. کوگولوس توضیح داد: ما امکان اجرا کردن دو نوع مختلف از آشکارساز‌های ماده تاریک آکسیون را در آزمایش BabyIAXO نشان دادیم.

این پژوهش با استقبال بسیار خوبی در جامعه علمی روبه‌رو شده است. بنابراین، پژوهشگران بر این باور هستند که پیشنهاد آن‌ها در آزمایش‌های آینده اجرا خواهد شد. این کار به یافتن پاسخ‌هایی برای اساسی‌ترین پرسش‌های حوزه کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات کمک می‌کند.

این پژوهش در «Annalen der Physik» به چاپ رسید.