کلید ماده تاریک در دستان رادیو کیهانی؟ آکسیون‌ها در یک قدمی کشف

به گزارش بخش اخبار علمی زوم تک , یکی از بزرگترین معماهای کیهان‌ شناسی مدرن، ماهیت ماده تاریک است؛ ماده‌ای اسرارآمیز که حدود 85 درصد از جرم جهان را تشکیل می‌دهد اما هنوز به طور مستقیم مشاهده نشده است. اکنون، دانشمندان امیدوارند با استفاده از یک آشکار ساز نوآورانه به نام “رادیو کیهانی”، پرده از این راز بزرگ بردارند. این فناوری پیشرفته، با هدف شناسایی ذرات فرضی به نام آکسیون‌ ها که به عنوان یکی از قوی‌ ترین نامزدهای ماده تاریک مطرح هستند، طراحی شده و می‌تواند در آستانه کشف این ذرات گریزان و درک عمیق‌ تر ساختار جهان قرار گیرد.

روشن کردن رادیوی کیهانی: دانشمندان آماده شنود ماده تاریک می شوند

جهانی که ما می بینیم، با تمام ستارگان، سیارات و کهکشان هایش، تنها بخش کوچکی از داستان کامل کیهان است. دانشمندان تخمین می زنند که حدود ۸۵ درصد از کل جرم موجود در عالم، از ماده ای اسرار آمیز و نامرئی به نام ماده تاریک تشکیل شده است. ما نمی توانیم آن را مستقیما ببینیم یا لمس کنیم، اما اثرات گرانشی قدرتمند آن را بر حرکت کهکشان ها و خم شدن نور در فضا مشاهده می کنیم. ماهیت واقعی این ماده نامرئی، یکی از بزرگترین معما های حل نشده در فیزیک مدرن است. اما اکنون، گروهی از دانشمندان برجسته از موسسات معتبری چون کینگز کالج لندن، دانشگاه هاروارد و دانشگاه کالیفرنیا، با همکاری محققان دیگر، از توسعه یک فناوری پیشگامانه خبر داده اند که می تواند کلید کشف این راز بزرگ باشد: یک آشکارساز جدید که مانند یک “رادیوی کیهانی” عمل می کند و آماده است تا به نجوا های ماده تاریک گوش دهد.

آکسیون ها: مظنون اصلی پرونده ماده تاریک

در میان نظریه های مختلفی که برای توضیح ماهیت ماده تاریک ارائه شده، یکی از قوی ترین نامزد ها، ذره ای فرضی به نام آکسیون (Axion) است. تصور می شود آکسیون ها ذراتی بسیار سبک، با جرم ناچیز باشند که برهمکنش بسیار ضعیفی با ماده معمولی دارند – به همین دلیل است که شناسایی آن ها فوق العاده دشوار است. این ذرات شبح مانند ممکن است در مقادیر بسیار زیاد در سراسر کیهان پراکنده باشند و جرم گمشده ای را تشکیل دهند که اثرات گرانشی مشاهده شده را توجیه می کند.

یکی از ویژگی های جالب آکسیون ها این است که تصور می شود مانند امواج، دارای فرکانس مشخصی هستند. مشکل اینجاست که دانشمندان هنوز نمی دانند این فرکانس دقیقا چقدر است و در کدام بخش از طیف وسیع الکترومغناطیسی باید به دنبال آن بگردند. گمانه زنی ها دامنه وسیعی را پوشش می دهد، از فرکانس های پایین در حد کیلوهرتز (که در محدوده شنوایی انسان قرار دارد) گرفته تا فرکانس های فوق العاده بالای تراهرتز (THz)، که میلیون ها برابر بالاتر از فرکانس امواج رادیویی معمولی است.

رونمایی از “رادیوی کیهانی”: آشکارساز شبه ذره آکسیون (AQ)

در مقاله ای که اخیرا در نشریه معتبر نیچر (Nature) منتشر شده، این تیم تحقیقاتی بین المللی، شالوده دستگاه جدیدی را توصیف می کند که می تواند به دقیق ترین آشکارساز ماده تاریک تا به امروز تبدیل شود. آن ها این دستگاه را “رادیوی کیهانی” نامیده اند، زیرا هدف آن “تنظیم شدن” روی فرکانس احتمالی آکسیون ها و “شنیدن” سیگنال آن ها است. نام فنی تر این آشکارساز، آشکارساز شبه ذره آکسیون (Axion Quasiparticle یا AQ) است.

نحوه کار این آشکارساز نوآورانه به این صورت است که برای جستجو در محدوده فرکانس های بسیار بالای تراهرتز طراحی شده است؛ محدوده ای که بسیاری از فیزیکدانان معتقدند محتمل ترین مکان برای یافتن آکسیون ها است. دستگاه AQ به گونه ای مهندسی شده که می تواند فرکانس های مختلفی را در این محدوده به فضا ارسال کند. اگر یکی از این فرکانس های ارسالی دقیقا با فرکانس طبیعی یک آکسیون در محیط اطراف منطبق شود، یک پدیده تشدید رخ می دهد و دستگاه مقدار بسیار ناچیزی نور (فوتون) منتشر می کند. شناسایی این نور ضعیف، نشانه ای از کشف آکسیون خواهد بود.

قلب تپنده آشکارساز: ماده ای با خواص منحصر به فرد

کلید اصلی عملکرد آشکارساز AQ، در استفاده از یک ماده بسیار خاص با خواص الکتریکی و مغناطیسی منحصر به فرد نهفته است. برای ایجاد ساختار حساس این دستگاه، پژوهشگران از ترکیب شیمیایی تلورید بیسموت منگنز (Manganese Bismuth Telluride یا MnBi₂Te₄) استفاده کردند. این ماده متعلق به دسته ای از مواد جدید به نام “عایق های توپولوژیک مغناطیسی” است که رفتار الکترون ها در آن ها بسیار غیر معمول است.

محققان این ماده را با دقت فوق العاده به لایه های بسیار نازک، در حد چند اتم، برش دادند و سپس این لایه های دو بعدی را روی هم قرار دادند. این فرآیند لایه بندی دقیق، امکان ایجاد “شبه ذرات” (Quasiparticles) را فراهم می کند. شبه ذرات، ذرات بنیادی واقعی نیستند، بلکه پدیده های کوانتومی جمعی در یک ماده هستند که رفتاری شبیه به یک ذره از خود نشان می دهند. در این مورد، شبه ذرات ایجاد شده در ساختار MnBi₂Te₄، خواصی شبیه به آکسیون های فرضی دارند و می توانند با آکسیون های واقعی (در صورت وجود) برهمکنش داشته باشند و سیگنال قابل تشخیصی تولید کنند.

چالش های ماده شناسی

جیان شیانگ کیو (Jian-Xiang Qiu)، نویسنده اصلی این مطالعه از دانشگاه هاروارد، به چالش های کار با این ماده اشاره می کند: “از آنجا که MnBi₂Te₄ به شدت به هوا حساس است، ما نیاز داشتیم آن را با دقت زیاد به لایه های اتمی برش دهیم تا بتوانیم خواصش را به طور دقیق تنظیم کنیم. این کار دقیق به ما امکان می دهد تا این نوع فیزیک جالب را مشاهده کنیم و ببینیم چگونه این شبه ذرات با دیگر ذرات کوانتومی مانند آکسیون ها برهمکنش دارند.”

نقشه راه کشف: از ایده تا واقعیت

دکتر دیوید مارش (David Marsh)، یکی از نویسندگان مقاله و پژوهشگر کینگز کالج لندن، با هیجان می گوید: “اکنون می توانیم آشکارساز ماده تاریکی بسازیم که مشابه یک رادیوی کیهانی عمل می کند و به فرکانس های کهکشان بزرگ گوش می دهد تا آکسیون ها را پیدا کند. ما از قبل فناوری لازم برای این کار را در اختیار داریم و اکنون فقط مسئله مقیاس و زمان مطرح است.”

این تیم تحقیقاتی بسیار خوش بین است. آن ها باور دارند که با ساخت نمونه ای بزرگتر از ساختار مبتنی بر MnBi₂Te₄، می توانند ظرف مدت پنج سال یک آشکارساز کاربردی و در مقیاس مناسب را آماده کنند. پس از آن، مرحله جستجوی واقعی آغاز می شود. محققان تخمین می زنند که حدود یک دهه دیگر زمان لازم است تا با دقت طیف فرکانس های بالای تراهرتز را – جایی که گمان می رود آکسیون ها پنهان شده باشند – بررسی کنند. اگر همه چیز طبق برنامه پیش برود، این تلاش می تواند در نهایت به حل یکی از بزرگترین و پایدارترین معما های دنیای فیزیک منجر شود: شناسایی ماهیت ماده تاریک.

یک لحظه هیجان انگیز در فیزیک

دکتر مارش می افزاید: “این لحظه واقعا هیجان انگیزی برای پژوهشگران ماده تاریک است. اکنون به اندازه ای مقاله درباره آکسیون ها منتشر می شود که یک سال قبل از کشف ذره بنیادی بوزون هیگز منتشر می شد. نظریه پردازان در سال ۱۹۸۳ پیشنهاد کردند که آکسیون ها مانند یک فرکانس رادیویی عمل می کنند و حالا ما می دانیم که می توانیم به آن گوش دهیم. ما به سرعت در حال نزدیکتر شدن به آکسیون هستیم.”

نتیجه گیری: گامی بلند به سوی شناخت کیهان

توسعه آشکارساز رادیوی کیهانی AQ، نشان دهنده یک پیشرفت قابل توجه در تلاش بی وقفه بشر برای درک عمیق تر جهان پیرامون است. این فناوری نوآورانه، که بر پایه مواد پیشرفته و مفاهیم فیزیک کوانتومی بنا شده، امیدی تازه برای یافتن ذره گریزان آکسیون و پرده برداشتن از راز ماده تاریک ایجاد کرده است. اگرچه مسیر پیش رو نیازمند تلاش، سرمایه گذاری و زمان است، اما چشم انداز “شنیدن” صدای ماده تاریک و حل یکی از بزرگترین معما های کیهان، هیجان انگیزتر از همیشه به نظر می رسد.