نظریه‌ای تازه: ماده تاریک ممکن است بقایای سردشده ذرات پرانرژی اولیه باشد

دو پژوهشگر از کالج دارتموث آمریکا در تلاش مداوم برای کشف راز گرانش اضافی موجود در جهان، نظریه‌ای نو را مطرح کرده‌اند. براساس ادعای آن‌ها، در فاصله‌ی کوتاهی پس از بیگ‌بنگ، اتحادی مرموز بین ذرات بدون جرم به وجود آمد.

بیش از یک قرن بر ما آشکار است که برآوردهای مربوط به جرم قابل‌مشاهده‌ی جهان نمی‌تواند چگونگی چرخش کهکشان‌ها را توجیه کند؛ این مسئله به وجود توده‌هایی از ماده‌ی کند و نامرئی اشاره دارد که ما آن‌ها را نمی‌بینیم. این عنصر ناپیدا با عنوان ماده تاریک شناخته می‌شود. بااینکه پژوهشگران درحال فهرست‌بندی ویژگی‌های توصیف‌کننده این ماده هستند، ماهیت و منشأ آن هنوز ناشناخته باقی مانده است.

دو فیزیک‌دان به نام‌های گوانمینگ لیانگ و رابرت کالدول، کیهان نوزادی را تصور می‌کنند که با ذرات بدون جرمی که با سرعت بالا حرکت می‌کردند، پر شده بود؛ نوعی ماده که شباهتش به نور بیشتر از تکه‌های سرد و تاریک است. به‌مرورزمان ذرات در این مه از مواد پرانرژی با یکدیگر برخورد کردند و سرد شدند و درنتیجه به آن‌ها جرمی داده شد که می‌تواند منبع نامرئی گرانش جهان را توضیح دهد. کالدول می‌گوید:

این توضیح کاملاً برخلاف آن چیزی است که تاکنون درباره ماده تاریک تصور می‌شد؛ یعنی توده‌های سردی که به کهکشان‌ها جرم می‌دهند. نظریه ما سعی می‌کند توضیح دهد که چگونه ماده تاریک از حالت نور (بی‌جرم) به توده‌های جرم‌دار تبدیل شده است.

حدود ۱۳٫۷ میلیارد سال پیش، زمانی که تمام جهان در فضایی فشرده شده بود که به راحتی در شکافی میان دندان‌هایتان جا می‌گرفت، یک مهمانی کوانتومی در جریان بود. ذراتی از هر نوع با سرعت بالایی حرکت می‌کردند و به خاطر کمبود شدید جا، با یکدیگر برخورد کرده و در هم می‌لولیدند.

براساس مدل نامبو و جونا-لازینیو برای سنتز نوکلئون‌ها، دسته‌ای خاص از این ذرات که به نام فرمیون‌های دیراک شناخته می‌شوند، ممکن است به شیوه‌ای شبیه به پیوند الکترون‌ها در ابررساناها (تشکیل جفت‌های کوپر) با هم جفت شوند. اگرچه فیزیک مربوط به این فرآیند حتی برای مکانیک کوانتومی بسیار پیچیده است، پیامدهایی برای رشد کیهانی، از جمله تورم کیهانی و گسترش بعدی جهان دارد. بااین‌حال، تمام این‌ها بر فرضیاتی استوار بوده‌اند که دمای این فضا تقریباً متعادل باقی مانده است.

لیانگ و کالدول کنجکاو شدند که چه می‌شود اگر ویژگی‌های حرارتی دیگر این فرایند نیز در نظر گرفته شود؟ چه می‌شود اگر عدم تعادل در پیوند میان برخی فرمیون‌های دیراک با انرژی بالا باعث شود آن‌ها انرژی دیوانه‌وارشان را به جرم تبدیل کنند و در واقع یخ بزنند؟ محصول این فرایند مثل تبدیل یک ابر طوفانی به طوفان تگرگ خواهد بود. لیانگ می‌گوید:

غیرمنتظره‌ترین بخش مدل ریاضی ما، افت ناگهانی انرژی است که انرژی با چگالی بالا را به حالت توده‌ای با انرژی پایین پل می‌زند.

ساختارها جرم خود را از چگالی ماده‌ی تاریک سرد به دست می‌آورند، اما همچنین باید مکانیزمی وجود داشته باشد که طی آن، چگالی انرژی به چیزی نزدیک به مقدار امروزی کاهش یابد. مدل ریاضی نظریه‌ی ما واقعاً زیباست، چون بسیار ساده است. نیازی نیست عناصر پیچیده‌ای به سیستم اضافه کنیم تا کار کند.

البته ساده‌بودن یک چیز است و اثبات آن چیز دیگر. برخلاف بسیاری از نظریه‌هایی که درباره ماهیت ماده‌ی مرموز تاریک مطرح شده‌اند، این نظریه را می‌توانیم با داده‌هایی که در اختیار داریم آزمایش کنیم.

تبدیل از ذرات تنها و داغ با فشار بالا به پیوندهای سرد و کند، ردپایی در تابش پس‌زمینه کیهانی به وجود می‌آورد؛ تابش پس‌زمینه‌ای از پرتوهایی که از اولین لحظات جهان در حال نوسان هستند. نشانه‌های مشخص در تابش پس‌زمینه کیهانی می‌تواند به سود این نظریه باشد که فرمیون‌های یادشده حداقل یکی از منابع ماده تاریک هستند. کالدول می‌گوید:

این موضوع هیجان‌انگیز است. ما در حال ارائه رویکردی جدید برای اندیشیدن به ماده‌ی تاریک و شاید شناسایی آن هستیم.

پژوهش در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.