نخستین دستگاهی که ماده تاریک را شناسایی می‌کند

تشخیص ماده تاریک کم‌جرم بسیار چالش برانگیز در نظر گرفته می‌شود. با این حال با دستگاهی به نام ODIN می‌توان به این شاهکار دست یافت.

به نقل از آی‌ای، گروهی از محققان استرالیایی ابزاری به نام ODIN(ابزار ماده تاریک نوری‌مکانیکی) ساخته‌اند که می‌تواند به دانشمندان اجازه دهد مستقیماً ماده تاریک کم‌جرم را شناسایی کنند.

ماکسیم گوریاچف(Maxim Goryachev) یکی از محققان و فیزیکدانان دانشگاه وسترن استرالیا می‌گوید: متاسفانه جرم‌های پایین‌تر نشان‌دهنده سیگنال‌های ضعیف‌تر هستند و ابزارهای سنتی فیزیک ذرات را نامناسب می‌سازند.

«اودین» اصول اپتومکانیک را با خواص هلیوم ابر سیال ترکیب می‌کند. در حالی که اولی علم ساخت دستگاه‌های نوری است، دومی حالت منحصر به فردی از هلیوم است که در دماهای بسیار پایین رخ می‌دهد.

هلیوم در حالت فوق سیال، خواص فوق‌العاده‌ای مانند ویسکوزیته صفر از خود نشان می‌دهد که به آن اجازه می‌دهد بدون اصطکاک جریان یابد.

گرفتن ماده تاریک با ارتعاشات و هلیوم

نویسندگان این مطالعه می‌گویند وقتی ذرات ماده تاریک با هلیوم ابرسیال در یک حفره اپتومکانیکی برهم‌کنش می‌کنند، منجر به یک اثر زنگ مکانیکی می‌شود. این اثر در واقع به صورت ارتعاشات یا فونون‌های کوچک تولید می‌شود.

«اودین» بر این اصل کار می‌کند که ذرات ماده تاریک، فونون‌ها را در یک حفره اپتومکانیکی پراکنده می‌کنند.

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند: ما با استفاده از یک نظریه میدان مؤثر، سرعت پراکندگی ماده تاریک از فونون‌ها را در حالت آکوستیک بسیار پرجمعیت محاسبه می‌کنیم.

هنگامی که ماده تاریک به این امواج صوتی یا ارتعاشات برخورد می‌کند، موج صوتی دیگری را در حالت ساکت‌تری از حفره ایجاد می‌کند. سپس این موج صوتی جدید با استفاده از لیزر به نور (فوتون) تبدیل می‌شود.

این نور به راحتی قابل تشخیص است و در نهایت به دانشمندان اجازه می‌دهد تا حضور ماده تاریک با جرم بسیار کم را تشخیص دهند.

نویسندگان این مطالعه افزودند: ما محدودیت‌های پیش‌بینی‌شده در برهم‌کنش‌های ماده تاریک-نوکلئون را برای توده‌های ماده تاریک از ۰.۵ تا ۳۰۰ کیلو الکترون‌ولت محاسبه می‌کنیم.

تشخیص ماده تاریک در مقیاس کیلو الکترون‌ولت(keV) اهمیت زیادی دارد، زیرا طیف احتمالی ذرات ماده تاریک را بررسی می‌کند که سبک‌تر هستند و در مقایسه با نامزدهای سنگین‌تری مانند WIMP(ذرات عظیم با تعامل ضعیف) رفتار می‌کنند.

به عنوان مثال، این رویکرد می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا حضور نوترینوهای عقیم، پسرعموهای شبح‌مانند نوترینوهای معمولی را تأیید کنند. در حال حاضر، هیچ روش یا دستگاه شناخته شده‌ای وجود ندارد که بتواند این ذرات را شناسایی کند.

«اودین» به تشخیص ماده تاریک محدود نمی‌شود

در حال حاضر، تشخیص ماده تاریک به آزمایشگاه‌های تخصصی با تجهیزات گران‌قیمت نیاز دارد. این در حالی است که «اودین» پتانسیل غلبه بر این محدودیت‌ها را دارد.

حساسیت «اودین» برخلاف سیستم‌های موجود، در درجه اول به تراکم فونون بستگی دارد تا حجم هدف. نویسندگان این مطالعه توضیح می‌دهند که این ویژگی می‌تواند آشکارسازهای فشرده و کم‌هزینه را با توانایی تشخیص ماده تاریک قفل شده با تخلیه دوره‌ای حالت فونون فعال کند.

علاوه بر این، طراحی دستگاه پیشنهادی تنها دارای یک حفره اپتومکانیکی است. در حالی که ابزارهایی با حفره‌های متعدد می‌توانند نتایج هیجان انگیزتری داشته باشند.

به عنوان مثال، «اودین» علاوه بر شناسایی کاندیدهای مختلف ماده تاریک می‌تواند در آینده برای تشخیص امواج گرانشی نیز استفاده شود.

نکته مهمی که باید به آن توجه داشت این است که مطالعه کنونی تنها چارچوب نظری «اودین» را برجسته می‌کند و توضیح می‌دهد که چگونه می‌تواند با استفاده از اپتومکانیک و تعاملات فونون عمل کند و اشاره‌ای نمی‌شود که آیا این ابزار واقعا در حال ساخت است یا در حال حاضر در مرحله آزمایش است.

این مطالعه در مجله Physical Review D منتشر شده است.