ثبت برهم‌کنشی عجیب در آشکارساز LZ؛ آیا دانشمندان بالاخره ماده تاریک را مشاهده کردند؟

آزمایش شکار ماده تاریک شاید سرانجام به نخستین سرنخ مستقیم از این ماده‌ی نامرئی رسیده باشد؛ اما فعلاً فقط رویدادی عجیب در دست دانشمندان است. براساس نتایج تحلیلی تازه که اول سپتامبر در نشست «اخترفیزیک ذرات در انرژی ترا الکترون‌ولت» در ژاپن ارائه شد، داده‌های آشکارساز لاکس‌زپلین (LUX-ZEPLIN) یا به اختصار، ال‌زد، برهم‌کنش ذره‌ای را شناسایی کرده‌اند که با یکی از سناریوهای پیشنهادی برای ماده تاریک سازگار است. بااین‌حال، این رویداد به‌تنهایی برای تأیید کشف کافی نیست.

ماده تاریک تاکنون به‌طور مستقیم مشاهده نشده است و وجود آن از اثر گرانشی بر کیهان استنباط می‌شود. آشکارساز ال‌زد در تأسیسات تحقیقاتی زیرزمینی سنفورد در داکوتای جنوبی قرار دارد و یکی از اهدافش، جست‌وجوی دسته‌ای از نامزدهای ماده تاریک، موسوم به «ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف» یا ویمپ (WIMP) است.

به‌گزارش ساینس‌نیوز، ال‌زد برای یافتن برخورد احتمالی ذرات مذکور با هسته اتم‌ها، مخزنی از زنون مایع را زیر نظر می‌گیرد. اگر چنین برخوردی رخ دهد، هسته زنون پس‌زده می‌شود و جرقه‌ای کوچک از نور ایجاد می‌کند. سپس الکترون‌هایی آزاد می‌شوند که حسگرهای آشکارساز قادر به شناسایی آن‌ها هستند. تحلیل جدید به دنبال نوعی فرضی از ماده تاریک بود که بتواند هسته را با انرژی بسیار بیشتری به عقب براند.

آشکارساز ال‌زد برای شناسایی دو سیگنال نوری در زمان برهم‌کنش طراحی شده است؛ نخستین سیگنال بلافاصله پس از پس‌زنی هسته ایجاد می‌شود. الکترون‌های آزادشده نیز تحت‌تأثیر میدان الکتریکی به سمت بالای آشکارساز حرکت می‌کنند و هنگام رسیدن به بالا، سیگنال نوری دوم را ایجاد به وجود می‌آورند. رابطه میان این دو سیگنال به پژوهشگران کمک می‌کند رویدادهای احتمالی ماده تاریک را از برهم‌کنش‌های دیگر جدا کنند.

ال‌زد که در اواخر ۲۰۲۱ راه‌اندازی شد، نسخه‌ای بزرگ‌تر از آزمایش‌های پیشین برای «آشکارسازی مستقیم» ماده تاریک با زنون است. در مطالعه اخیر، داده‌های رصدی ۲۲۰ روز که از مارس ۲۰۲۳ تا آوریل ۲۰۲۴ ثبت شده بود، مورد بررسی قرار گرفت.

تیم پژوهش در نهایت، تنها به رویدادی غیرمنتظره رسیدند. برآورد پژوهشگران نشان می‌دهد احتمال اینکه ذرات شناخته‌شده چنین رویدادی ایجاد کنند، حدود یک درصد است. این نتیجه معادل معناداری آماری ۲٫۶ سیگماست؛ درحالی‌که برای ادعای وجود شواهد در فیزیک معمولاً به سه سیگما و برای اعلام یک کشف به پنج سیگما نیاز است.

تحلیل‌های پیشین همین داده‌ها، به دنبال هسته‌های اتمی با پس‌زنی کم‌انرژی بودند که برای برهم‌کنش‌های معمول WIMP انتظار می‌رود، اما نتیجه‌ای به دست نیامد. بااین‌حال، برخی مدل‌های ماده تاریک می‌توانند برخوردهایی با انرژی بالاتر ایجاد کنند.

یکی از احتمالات، این است که ذرات ماده تاریک، مشابه اتم‌ها، حالت‌های انرژی متفاوتی داشته باشند. در چنین سناریویی، برهم‌کنش ممکن است تنها زمانی رخ دهد که انرژی کافی برای انتقال ذره به حالت بعدی وجود داشته باشد. در این صورت، انتظار می‌رود ماده تاریک در تابستان بیشتر با زمین برخوردهای پرانرژی ایجاد کند؛ زمانی که زمین تقریباً با جریان ماده تاریک کهکشان رو‌به‌رو می‌شود. از این رو، ثبت رویداد موردنظر در ماه ژوئن برای پژوهشگران جالب است.

بااین‌حال، حتی اگر رویداد واقعاً به ماده تاریک مربوط باشد، با ساده‌ترین مدل‌های این ماده سازگار نیست. متیو ریس، فیزیکدان نظری دانشگاه هاروارد، معتقد است این سیگنال «دیوانه‌وار نیست» و برای توضیح آن لزوماً نیازی به مطرح‌کردن ایده‌هایی کاملاً جدید وجود ندارد؛ بنابراین، از نظر او، این احتمال همچنان ارزش بررسی دارد.

تاریخچه‌ی مسیر جست‌وجو برای کشف ماده تاریک همواره سرشار از امیدواری‌های اولیه و در نهایت، نافرجام بوده است. به‌عنوان نمونه، در جریان آزمایش XENON1T در سال ۲۰۲۰ نشانه‌هایی احتمالی از وجود ذرات ناشناخته رصد شد که امیدهایی را برانگیخت، اما در ادامه، بررسی‌های آزمایش مجدد نشان داد که این فرضیه درست نبوده و احتمال کشف به‌طور کامل منتفی شد.

حتی اگر رویداد جدید ارتباطی با ماده تاریک نداشته باشد، تحلیل اخیر توانایی ال‌زد و آزمایش‌های مشابه را برای بررسی سناریوهای گسترده‌تر نشان می‌دهد. نکته‌ی امیدوارکننده این است که ال‌زد تاکنون داده‌های بیشتری جمع‌آوری کرده و حجم داده‌های موجود دست‌کم سه برابر مقداری است که در تحلیل فعلی بررسی شده است.

همچنین، اگر رویداد موردنظر واقعاً حاصل از ماده تاریک باشد، این احتمال وجود دارد که نمونه‌های مشابه دیگری نیز در میان داده‌های بررسی‌نشده پنهان مانده باشند. بر همین اساس، فیزیکدانان برای رسیدن به پاسخ و دستیابی به نتیجه‌ای قطعی، در شرایط کنونی بیش از هر اقدام دیگری نیازمند آن هستند که رویدادهای بیشتری از این دست را شناسایی و ثبت کنند.