دریافت سیگنالی از دل تاریکی
اگر یک نگاه گذرا به اطرافمان بیندازیم، تمام چیزهایی که می‌بینیم موادی هستند که اجزای دنیای اطراف ما را تشکیل می‌دهند. اما آیا جهان ما، همچون پیرامونمان، سرشار از ماده قابل مشاهده بوده و این موضوعی، امری بدیهی تلقی می‌شود؟ بیایید کمی از این مواد قابل مشاهده فاصله بگیریم و در دنیای ناشناخته‌تری قدم بگذاریم، زمین را ترک کرده و چنان از آن دور شویم که کهکشان‌ها را همچون نقطه‌ای میان نقاط دیگر مشاهده کنیم و از آن‌جا، تمام جهان قابل مشاهده را از یک قاب ببینیم. آیا تمام آنچه پیش روی ماست از مواد قابل مشاهده تشکیل شده است؟
به گزارش ستاد ارتباطات و ترویج بنیاد علم و فناوری مصطفی(ص)، در این قاب، با رصد حرکت کهکشان‌ها به وجود ماده‌ای پی می‌بریم که آن را ماده تاریک می‌خوانیم. ماده‌ای که نه نوری از خود ساطع می‌کند و نه به آسانی قابل مشاهده است اما در ساختار کیهان، نقش مهمی ایفا می‌کند. بخشی از فضاست که نامرئی بوده اما گرانش دارد و دانشمندان، اثرات گرانشی آن را روی اجرام مرئی مشاهده می‌کنند. چیزی که باید منظومه شمسی، کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را کنار یکدیگر نگه دارد؛ همان چسب نامرئی است که ستاره‌ها، غبار و گاز را در یک کهکشان کنار هم نگه داشته و بیشتر جرم یک کهکشان را در بر می‌گیرد. در واقع، این بخش، به نوعی پایه و اساس ساختار جهان ما را تشکیل می‌دهد.
به این ماده، انرژی‌ای می‌پیوندد که درصد حضور آن بیشتر از ماده تاریک است، به‌طوری‌که این دو، مانع از این می‌شوند که ماده متعارف بیش از 5 درصد از کل جهان را تشکیل دهد. در حقیقت، حدود 95 درصد از آنچه که ما نمی‌بینیم، چیزی فراتر از دید ماست و به همین دلیل، از آن با عنوان "تاریکی" یاد می‌کنیم. این جهان تاریک و نامرئی، همانند پرده‌ای است که پشت آن رازهایی نهفته و دانشمندان سال‌هاست با دقت و تلاش فراوان در تلاش‌اند تا آن را روشن کنند.
پرداختن به این تاریکی، کاری است که دانشمندان زیادی چون یحیی تیعلاتی را علاقه‌مند به تحقیق و جستجو کرده است. تیعلاتی یکی از پیشگامان عرصه فیزیک نظری است که با نگاهی متفاوت به جهان از طریق مطالعه پراکندگی نور با نور، نقش مهمی در کشف رمز و راز ماده تاریک ایفا کرده است. پیش از اینکه به جزئیات مشاهدات پراکندگی نور با نور بپردازیم، باید بدانیم در حقیقت پراکنده شدن نور از اجسام است که باعث دیده شدن آن‌ها می‌شود چون سطح مات و ناصاف اشیاء، نور تابیده‌شده را در تمام جهات پراکنده می‌کند و چشم با دریافت همین پرتوها می‌تواند اجسام را ببیند.
کدام ذره، ماده تاریک است؟
تیعلاتی در آغاز فعالیت‌های خود، در پروژه اطلس شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سرن مشغول به کار شد؛ هدف او از انجام پروژه اطلس، کاوش در زمینه پراکندگی نور با نور و جست‌وجوی ذره‌های آکسیون‌مانند (ذره‌های بنیادی فرضی) بود که گزینه بسیار خوبی برای ماده تاریک هستند. دانشمندان امروزه بر این باورند که ممکن است آکسیونها یا شبه آکسیونها که ذرات سبک و بی‌باری هستند -به خاطر خواصشان- همان اجزایی باشند که ماده تاریک را تشکیل می‌دهند.
برای درک بهتر برخورد نور با نور و ذرات آکسیون‌مانند بهتر است مروری کوتاه بر مدل استاندارد داشته باشیم. دانشمندان برای توضیح مواد موجود در جهان، پیش‌بینی کردند که همه چیز در جهان، از چند بلوک اساسی به نام ذرات بنیادی ساخته شده است که توسط چهار نیروی اساسی اداره می‌شوند. با گذشت زمان و انجام آزمایشات متعدد، این ذرات با عنوان "مدل استاندارد" یک تئوری فیزیکی اثبات‌شده در نظر گرفته شد. اگر ذرات بنیادی اجزای تشکیل‌دهنده ماده باشند، فرمیون‌های بنیادی (همانند الکترون‌ها، کوارک‌ها، نوترینوها) و اگر واسطه‌های فعل و انفعالات یا نیروهای بین ذرات فوق باشند (مانند فوتون‌ها، گلوئون‌ها و ….)، بوزون‌های بنیادی نامیده می‌شوند. با وجود اینکه مدل استاندارد در توضیح تمام داده‌های موجود در مورد ذرات بنیادی موفق بوده، جایی برای ماده تاریک در آن وجود ندارد و نمی‌تواند تشکیل کهکشان و انرژی تاریک مورد نیاز برای انبساط پرشتاب کیهان را توضیح دهد. همین امر، دلیلی بر این بود تا دانشمندان به دنبال ذره‌ای دیگر باشند که بتواند این ماده سحرآمیز را توصیف کند.
تا پیش از این، دانشمندان فرضیه‌های مختلفی برای ماهیت ماده تاریک داشتند؛ مثل ذرات پرجرم با برهمکنش ضعیف (Weakly intracting massive particles)، نترالینوها (Neutralinos)، نوترینوهای استریل (Sterile neutrinos)، نوترینوها (Neotrinos) و... اما درنهایت آکسیونها و شبه‌آکسیون‌ها (Axions & Axion-like particles) ذراتی بودند که شباهت بیشتری به این ماده مرموز داشتند. به نظر می‌رسد آکسیونها باید جرمی بسیار کم داشته و بار الکتریکی نداشته باشند؛ این ویژگی‌ها باعث می‌شوند که آن‌ها به راحتی از طریق تابش الکترومغناطیسی مشاهده نشوند و به همین دلیل کاندیدایی برای ذرات ماده تاریک باشند. به‌عبارتی، آن‌ها با نور تعاملی نداشته و این امر باعث می‌شود که به‌راحتی در کهکشان‌ها و جهان وجود داشته باشند بدون اینکه دیده شوند.
جستجوی شبه آکسیونها در LHC
تیعلاتی نخستین قدم‌های خود در سرن را با استفاده از تجهیزات «پیش‌‌نمونه‌بردار آرگون مایع» برداشت که به آشکارسازی فوتون‌ها و الکترون‌ها کمک می‌کرد. مشاهده فرایند «پراکندگی نور با نور» که به آن اشاره کردیم، یکی از دستاوردهای اخیر تیعلاتی و همکارانش در گروه اطلس است که برای نخستین بار در سال 2019 انجام شد. پراکندگی نور با نور فرایند بسیار نادری است و به همین علت اندازه‌گیری‌اش بسیار دشوار و تقریبا دست‌نیافتنی است. دهه‌ها تلاش برای مشاهده مستقیم پراکندگی نور با انرژی بالا ناموفق بود، تا اینکه بالاخره در LHC - بزرگ‌ترین برخورددهنده ذرات با بالاترین انرژی در جهان- و با استفاده از برخوردهای یون سرب، این پدیده مشاهده شد.
شتاب دادن یون‌های سرب در LHC، باعث تولید فوتون در اطراف آن‌ها می‌شود و وقتی دو یون سرب در مرکز آشکارساز اطلس به هم نزدیک می‌شوند، این فوتون‌ها با هم برهمکنش می‌کنند؛ بدون آن‌که یون‌های سرب با هم برهمکنش کنند. البته فاصله بین یون‌های سرب باید حداقل به دو برابر شعاع یون سرب برسد. به این نوع برخورد، برخورد فرامحیطی می‌گویند. از طرفی در برهمکنش فوتون-فوتون (یا همان برهمکنش نور با نور)، زمانی که باریکه پروتون‌ها از مرکز آشکارساز می‌گذرند، ذراتی با انرژی‌های متفاوت تولید می‌شوند. دانشمندان در نظر گرفتند که تحت شرایطی از این برخورد، ذرات آکسیون‌مانند تولید می‌شوند و داده‌های تجربی با درصد اطمینان بالایی این را تایید کردند.
چه چیز از تولید ذرات آکسیون‌مانند خبر می‌دهد؟
در پروژه اطلس، یون‌های سرب با انرژی بالا، میدان‌های مغناطیسی قوی ایجاد می‌کنند. شبه‌آکسیون‌هایی که در برخورد فوتون با فوتون تولید شدند، خودشان هم می‌توانند در این میدان‌های مغناطیسی قوی، به فوتون واپاشی پیدا کرده و از خود فوتون ساطع کنند؛ این همان سیگنالی است که ما از وجود ذرات آکسیون‌مانند به دست می‌آوریم.
تلاش‌های تیعلاتی، به او این امکان را داد تا بتواند یک سیگنال مشخص و قابل تشخیص از انبوه تجربیاتی که در LHC به دست می‌آمد، استخراج کند؛ سیگنالی که می‌تواند به‌عنوان مدرکی برای وجود ماده تاریک تعبیر شود. تیعلاتی و دیگر دانشمندان این عرصه با تلاش‌های خود، علاوه بر پژوهش‌های مرتبط با ماده تاریک، در پی پاسخ به پرسش‌های بنیادین درباره جهان هستند. کشف پراکندگی نور با نور، گامی بزرگ در این مسیر بود و مسیر بسیار امیدوارکننده‌ای را برای کاوش فیزیک فراسوی مدل استاندارد پیش روی پژوهشگران قرار دهند اما راه، هنوز طولانی و پر از چالش است. آیا ذرات شبه آکسیون، همان ذرات گمشده‌ای هستند که ماده تاریک را تشکیل می‌دهند؟ پاسخ به این پرسش و بسیاری از پرسش‌های دیگر، نیازمند تحقیقات و آزمایش‌های بیشتر است.
آنچه خواندید پیش‌تر در شماره دوم نشریه بین‌المللی رصدخانه منتشر شده بود.
