پایان جدال ماده تاریک و تونل‌زنی کوانتومی!

نظریه رایج ماده تاریک می‌گوید این ماده از ذراتی تشکیل شده است که نسبت به همه ذرات شناخته‌شده در مدل استاندارد فیزیک بسیار سبک‌تر هستند.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، اگرچه این فرضیه به توضیح پدیده‌هایی مانند هاله‌های ماده تاریک در اطراف کهکشان‌ها کمک می‌کند اما یک نقص کشنده دارد که ناشی از اثرات احتمالی و کوانتومی، به‌ ویژه مفهوم «تونل‌زنی کوانتومی» است.

تونل‌زنی کوانتومی به فرآیند تونل زدن یک ذره بنیادی در یک سد پتانسیل گفته می‌شود که معمولا ذره قادر به عبور از آن نیست. بنابراین، ماده تاریک حاصل از کهکشان‌های اقماری کوچک‌تر باید به‌ طور پیوسته به سمت کهکشان‌های بزرگتری بروند که به دور آنها می‌چرخند و در نتیجه، کهکشان‌های کوچک‌تر جرم خود را از دست می‌دهند. براساس این نظریه، این امر باید به ناپدید شدن آنها منجر می‌شد.

تعاملات کوچک، تفاوت‌های بزرگ

پژوهشگران گفتند: با بررسی تعاملات کوچک بین ذرات ماده تاریک که در پژوهش‌های پیشین نادیده گرفته شده‌اند، این اختلاف را می‌توان برطرف کرد. سرعت خروج آنها از کهکشان‌های اقماری ممکن است به طور چشمگیری کمتر باشد و مشاهدات را پیرامون نظریه ماده تاریک فوق‌سبک به هم وصل کند.

«بیهاگ دیو»(Bihag Dave) فیزیکدان نظری «دانشگاه احمدآباد»(Ahmedabad University) هند و یکی از پژوهشگران این پروژه در یک ایمیل توضیح داد: جرم ذره ماده تاریک در این مدل می‌تواند به کوچکی ۱۰ تا ۵۸ کیلوگرم باشد که ۱۰۲۸ برابر سبک‌تر از الکترون است. با استفاده از دوگانگی ماده-موج مکانیکی کوانتومی، انتظار می‌رود چنین ماده تاریکی در مقیاس کهکشانی با رفتار موج‌مانند ظاهر شود. در مقیاس‌های بزرگ‌تر، رفتار ماده تاریک فوق‌سبک مشابه ماده تاریک سرد به نظر می‌رسد که از ذرات سنگین با تعامل ضعیف تشکیل شده و بارها در توصیف ساختار و ویژگی‌های مقیاس بزرگ جهان بسیار موفق بوده است.

وی افزود: با وجود این، نظریه ماده تاریک سرد در مقیاس‌های طولی کوچک‌تر با برخی مشکلات مانند پیش‌بینی بیش از اندازه تعداد کهکشان‌های اقماری، پیش‌بینی اشتباه چگالی در مرکز هاله‌های کوچک روبرو می‌شود. ماده تاریک فوق‌ سبک به دلیل ویژگی موج‌مانند خود شاید بتواند عامل حل شدن این مشکلات باشد و در عین حال، موفقیت ماده تاریک سرد را در مقیاس‌های بزرگ‌تر حفظ کند.

تونل‌زنی کوانتومی زمانی اتفاق می‌افتد که یک جرم از سدی عبور می‌کند که براساس فیزیک کلاسیک نباید قادر به نفوذ در آن باشد. ذرات بنیادی معمولا می‌توانند در مقیاس‌های اتمی تونل بزنند و این بدان معناست که در همه پدیده‌های ماکروسکوپی مانند مقیاس سیاره‌ای یا کهکشانی، تونل‌زنی می‌تواند به طور کامل نادیده گرفته شود.

با وجود این، ذرات ماده تاریک فوق سبک فرضی به دلیل جرم بسیار کم خود باید بتوانند در فواصل کیهانی وسیع تونل بزنند تا بر کشش گرانشی کهکشان‌های اقماری کوچک غلبه کنند و به کهکشان‌های بزرگ‌تری راه پیدا کنند که در مدارشان می‌چرخند.

این نقص بالقوه در نظریه ماده تاریک فوق سبک در پژوهش مشترک «آبراهام لوب»(Abraham Loeb) و «مارک هرزبرگ»(Mark Herzberg) برجسته شد. آنها سرعت از دست دادن جرم ماده تاریک را توسط کهکشان اقماری «فورناکس»(Fornax) که در مدار راه شیری می‌چرخید، محاسبه کردند و به این نتیجه رسیدند که نظریه ماده تاریک فوق سبک رد می‌شود اما آن پژوهش و پژوهش‌های پیشین، تعامل احتمالی بین خود ذرات ماده تاریک را که می‌تواند بر سرعت تونل‌زنی تأثیر بگذارد، نادیده گرفتند.

دیو گفت: پژوهش‌های پیشین تونل‌زنی، اثر تعاملات خود ماده تاریک فوق سبک را در نظر نگرفته‌اند. منظور ما از تعاملات خود ماده تاریک فوق سبک این است که وقتی دو ذره ماده تاریک با یکدیگر تماس داشته باشند، می‌توانند یکدیگر را جذب یا دفع کنند. ما در پژوهش خود، روش تونل‌زنی را گسترش می‌دهیم تا تعاملات جاذبه و دافعه خود ماده تاریک را در بر بگیرد.

دیو و همکارش «گاوراو گوسوامی»(Gaurav Goswami) در پژوهش خود، اثر این تعاملات احتمالی را بر سرعت تونل‌زنی در کهکشان‌های اقماری تحلیل کردند و به این نتیجه رسیدند که حتی اگر آنها فقط کمی یکدیگر را جذب کنند، از دست دادن جرم محاسبه‌شده نظری کهکشان‌های اقماری، مطابق با مشاهدات است.

اگرچه این تعاملات ممکن است بتوانند نظریه ماده تاریک فوق سبک را در حال حاضر نجات دهند اما فقط آزمایش‌ها اثبات نهایی را ارائه خواهند داد.

در حال حاضر آزمایش‌هایی با هدف مطالعه ترکیب ماده تاریک در حال آماده‌سازی هستند که از آشکارسازهای امواج گرانشی، مطالعه نوسانات نوترینو، تداخل‌سنجی اتمی و مواردی از این دست استفاده می‌کنند. امید می‌رود که این تلاش‌ها روزی بتوانند این معمای کیهانی را حل کنند.

این پژوهش در «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics» به چاپ رسید.