پیداشدن اولین شواهد مبنی بر وجود اکسیون؛ کاندیدای توضیح ماده تاریک

اکسیون (Axion، با تلفظ صحیح اَکسیان) ذره‌ای بنیادی خارج از مدل استاندارد فیزیک ذرات است که وجود آن به‌صورت نظری پیش‌بینی شده است. دانشمندان در مدل‌های نظری با استفاده از اکسیون‌ها رفتار ذرات زیراتمی را توضیح می‌دهند.

فیزیک‌دانان نظری برای اولین بار در دهه‌ی ۷۰ میلادی وجود اکسیون را به‌عنوان راه‌حلی برای مشکلات ریاضی در توصیف نیروی قوی هسته‌ای پیشنهاد داده بودند. نیروی قوی هسته‌ای نیرویی است که ذرات زیراتمی با نام کوارک را برای تشکیل هسته‌ی اتم درکنار یکدیگر نگه می‌دارد. از آن زمان، از اکسیون برای توضیح ماده‌ی تاریک نیز استفاده شده است. ماده‌ی تاریک ماهیتی ناشناس است که ۸۵ درصد از جرم کائنات را تشکیل داده اما هیچ نوری از آن ساطع نمی‌شود.

دکتر کای مارتنز، فیزیک‌دان دانشگاه توکیو و از جمله داشنمندانی که روی آزمایش اخیر منجر به پیدا شدن شواهد وجود اکسیون کار کرده می‌گوید حتی درصورت تأیید وجود این ذره، هنوز مشخص نیست که اکسیون بتواند عدم تقارن موجود در مدل نیروی قوی هسته‌ای را حل کند یا توضیحی برای جرم ناپیدا در کائنات ارائه دهد. 

به‌گفته‌ی دکتر مارتنز، اکسیون‌هایی که به‌تازگی ردپای آن‌‌ها پیدا شده است ظاهرا از درون خورشید بیرون می‌آیند و درنتیجه رفتار آن‌ها شبیه به «ماده‌ی تاریک سرد» نیست. فیزیک‌دانان عقیده دارند ماده‌ی تاریک سرد به‌صورت هاله‌ای اطراف کهکشان‌ها را می‌پوشاند. اگر خورشید منشاء اکسیون‌های آزمایش اخیر باشد یعنی این ذرات به‌تازگی تولید شده‌اند؛ درحالی که به‌نظر می‌رسد ماده‌ی تاریک سرد از ابتدای پیدایش کائنات، میلیاردها سال دست‌نخورده باقی مانده باشد.

علاوه‌بر آنچه گفته شد، کشف اکسیون هنوز قطعی نشده است. باوجود جمع‌آوری داده به‌مدت دو سال، شواهد به‌دست آمده برای اعلام قطعی وجود این ذره‌ی بنیادی هنوز اندک است. مارتنز در مصاحبه با لایو ساینس می‌گوید با جمع‌آوری داده‌های بیشتر ممکن است همین شواهد اندک از وجود اکسیون کمتر و کم‌ارزش‌تر شود.

دانشمندان برای پیداکردن سیگنالی خفیف از وجود اکسیون از مخزنی با ۳٫۲ تن زنون مایع در اعماق زمین استفاده کرده‌اند. این آزمایش که XENON1T نام دارد، در آزمایشگاه ملی گرن سسو در ایتالیا صورت گرفته است. 

حداقل دو پدیده‌ی علمی دیگر به جز اکسیون نیز وجود دارند که می‌توانند توجیه کننده‌ی داده‌های به‌دست آمده از آزمایش XENON1T باشند؛ هرچند محققان با آزمودن تئوری‌های مختلف به این نتیجه رسیده‌اند که اکسیون‌هایی که منشاء آن‌ها خورشید است، محتمل‌ترین توضیح برای نتایج به‌دست آمده از این آزمایش هستند. داده‌های این آزمایش هنوز دراختیار عموم دانشمندان قرار نگرفته و مقاله‌ای درباره‌ی آن در نشریات علمی چاپ نشده است.

چاندا پرسکاد واینستاین، فیزیکدان دانشگاه نیوهمشایر عقیده دارد که اگر آزمایش اخیر وجود اکسیون را ثابت کند، بزرگ‌ترین کشف علمی اخترفیزیک از زمان کشف شتاب داشتن سرعت گسترش کائنات است (در سال ۱۹۹۸ دانشمندان متوجه شدند کائنات نه‌تنها در حال گسترش است، بلکه این انبساط همراه با شتاب است).

قرار دادن مخزنی در عمق زمین باعث می‌شود جلوی رسیدن تقریبا هر نوع پرتویی به محتویات آن گرفته شود و تنها ذرات بسیار اندکی (احتمالا ذرات ماده‌ی تاریک) به مایع درون مخزن برسند و با آن واکنش نشان دهند. 

بیشتر واکنش‌های به‌وجود آمده با زنون مایع موجود در مخزن حاصل فعل‌وانفعالات ناشی از برخورد با دیگر ذراتی است که فیزیکدانان پیش از این کشف کرده و انتظار آن را دارند (مانند نوترینوها)؛ اما در چنین آزمایش‌هایی دانشمندان به‌دنبال یافتن شواهدی از برهم‌کنش پیش‌بینی نشده هستند که با استفاده از مدل‌های قدیمی و ذرات شناخته شده توجیهی برای آن‌ها وجود ندارد.

اکسیون تنها کاندیدا برای توضیح ماده‌ی تاریک نیست. ذرات دیگری با نام WIMPS (ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف) نیز پیش از این برای ماده‌ی تاریک پیشنهاد شده‌اند، اما آزمایش‌های مبتنی بر مخازن زنون مایع تاکنون وجود آن‌ها را رد کرده‌اند. پیدا کردن شواهدی از وجود اکسیون درحالی رخ می‌دهد که دانشمندان در سال‌های اخیر برای توجیه ماده‌ی تاریک در مدل‌های خود به این ذره‌ی فرضی توجه بیشتری نشان داده‌اند.

هنوز این امکان وجود دارد که پرتوهای دیگری از منابع غیرمنتظره مانند مواد رادیواکتیو موجود در اعماق زمین یا تریتیوم باقی‌مانده در مخزن به‌گونه‌ای بر سنسورهای XENON1T تأثیر گذاشته باشند که شبیه به نتایج مورد انتظار از رفتار اکسیون باشد. همچنین این احتمال وجود دارد که واکنش نوترینوها با میدان مغناطیسی زمین از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد قوی‌تر باشد و نتایج شبیه به وجود اکسیون تولید کرده باشد؛ هرچند این احتمال بسیار بعید به‌نظر می‌رسد، چراکه در این صورت دانشمندان باید برای توجیه رفتار عجیب تونرینوها در مدل استاندار فیزیک ذرات تجدید نظر کنند.

دانشمندان عقیده دارند دقت نظریه‌ی وجود اکسیون در آزمایش اخیر برابر با «۳٫۵ سیگما» است. دقت ۳٫۵ سیگما یعنی به احتمال ۲ در ۱۰٬۰۰۰ پرتوهای غیرمرتبط و متفرقه‌ی زمینه باعث به‌وجود آمدن سیگنال شده باشند. دانشمندان معمولا هنگامی از لفظ «کشف» برای ذره‌ای جدید استفاده می‌کنند که با دقت ۵ سیگما به نتایج خود اعتماد داشته باشند. چنین دقتی به معنای شانس خطای ۱ در ۳۵ میلیون است.

آزمایش مشابه دیگری با استفاده از زنون مایع با نام XENONnt قرار است تا سال آینده در ایتالیا انجام شود. این آزمایش که بسیار دقیق‌تر است، ۵ سال طول می‌کشد و داده‌های آماری روشن‌تری دراختیار دانشمندان قرار می‌دهد. همچنین در آینده‌ی نزدیک قرار است آزمایش‌های مشابهی در آمریکا و چین نیز صورت بگیرد.

این احتمال نیز وجود دارد که کشورهای دنیا با به‌اشتراک گذاشتن ذخایر زنون خود در پروژه‌ای بین‌المللی اقدام به ساخت آشکارسازی ۳۰ تنی کنند که دقت بسیار بالاتری برای یافتن ذرات بنیادی خواهد داشت.