به کمک گرانش کوانتومی بازه‌ی دقیق‌تری برای جرم ماده‌ی تاریک شناسایی شد

اگرچه ماده‌ی تاریک هنوز یکی از رازهای کیهان است، اما اکنون دانشمندان به کمک گرانش کوانتومی، قیدهای تازه‌ای برای آن شناسایی کرده‌اند که باعث دقیق‌تر شدن جست‌وجوها می‌شود.

فیزیکدانان در یک پژوهش تازه از نتایج گرانش کوانتومی استفاده کردند تا به قید پایین و بالای دقیق‌تری برای جرم ذرات ماده‌ی تاریک دست یابند که نشان می‌دهد دامنه‌ی جرم ماده‌ی تاریک، بسیار محدودتر از چیزی است که پیش از این تصور می شد.

این بدان معناست که با توجه به درک فعلی ما از جهان، وجود گزینه‌های احتمالی بسیار سبک یا سنگین برای ماده‌ی تاریک، بعید به نظر می‌رسد. «این نخستین بار است که کسی از دانش گرانش کوانتومی به‌عنوان راهی برای محاسبه‌ی ‌جرم ماده‌ی تاریک استفاده می‌کند. ما از این که قبلا چنین کاری انجام نشده شگفت‌زده شدیم.»

این را «خاویر کالمت» (Xavier Calmet) فیزیکدان و ستاره‌شناس دانشگاه ساسکس انگلستان گفت و ادامه داد: «آنچه ما انجام داده‌ایم، نشان می‌دهد که ماده‌ی تاریک نمی‌تواند مطابق برخی از نظریه‌ها به صورت فوق سبک یا فوق سنگین وجود داشته باشد، مگر آنکه یک نیروی اضافی هنوز ناشناخته به آن وارد شود. این تحقیق از دو راه به فیزیکدان‌ها کمک می‌کند. نخست محدوده‌ی جست‌وجو برای یافتن ماده‌ی تاریک را کوچکتر می‌کند و از سوی دیگر به طور بالقوه به کشف یا درک عدم وجود نیروی اضافی ناشناخته و مرموز در جهان کمک می‌کند.»

ماده‌ی تاریک، بدون شک یکی از بزرگترین اسرار جهان است. این نامی است که ما به دلیل قابل رؤیت نبودن، به یک توده‌ی جرم اسرارآمیز داده‌ایم؛ جرمی ناشناخته که مانند ماده‌ی طبیعی ستاره‌ها، سیاره‌ها و غبار کهکشانی قابل توضیح نیست و از روی آثار گرانشی که دارد، تشخیص داده می‌شود.

برای نمونه، اگر کهکشان‌ها تنها تحت تأثیر گرانش ماده‌ی طبیعی موجود در خود قرار داشته باشند، باید بسیار آهسته‌تر از وضعیت فعلی بچرخند. یا عدسی گرانشی که خمیدگی فضا-زمان پیرامون اجرام عظیم است، بسیار قدرتمندتر از حالتی است که فقط تحت تأثیر گرانش جرم عظیم به تنهایی باشد. بدین ترتیب هر آنچه این گرانش اضافی را ایجاد می‌کند، فراتر از توانایی ما برای تشخیص مستقیم است.

ما این ماده را فقط با اثر گرانشی که بر روی دیگر اجرام سماوی دارد می‌شناسیم و بر این اساس، می‌دانیم که میزان زیادی از آن وجود دارد؛ به طوری که تقریبا ۸۰ درصد کل مواد موجود در جهان ماده‌ی تاریک است. می‌دانیم که ماده‌ی تاریک با گرانش برهم‌کنش دارد، بنابراین کالمت و همکار فیزیکدانش «فولکر کویپرز» (Folkert Kuipers) برای آزمایش و برآورد دامنه‌ی جرم یک ذره‌ی فرضی ماده‌ی تاریک، hc کیفیت گرانش کوانتومی بهره گرفتند.

گرانش کوانتومی

طرحی گرافیکی از مفهوم گرانش کوانتومی
Credit: Olena Shmahalo/Quanta Magazine

به گفته‌ی آن‌ها گرانش کوانتومی می‌تواند قیدهای ذرات ماده‌ی تاریک با جرم‌های مختلف را تعیین کند. اگرچه ما نظریه‌ی کاربردی مناسبی نداریم که توضیح خمیدگی فضا طبق نسبیت عام را با گسستگی فیزیک کوانتوم متحد کند، اما می‌دانیم که هر ترکیبی از این دو، باید بازگوکننده‌ی مبانی اساسی هر دو باشد. به همین ترتیب، ذرات ماده‌ی تاریک باید از قوانین گرانش کوانتومی درباره‌ی چگونگی تجزیه یا برهم‌کنش ذرات پیروی کنند.

آن‌ها با محاسبه‌ی دقیق تمام این قیدها، قادر به رد محدوده‌های جرمی بودند که بعید است با درک فعلی ما از فیزیک، وجود داشته باشند. بنابراین بر اساس این فرض که فقط گرانش می‌تواند با ماده‌ی تاریک تعامل کند، تعیین کردند که جرم ذرات ماده‌ی تاریک، بسته به چرخش ذرات و ماهیت فعل و انفعالات ماده‌ی تاریک، باید بین ۱۰به توان ۳- الکترون ولت تا ۱۰ به توان ۷ الکترون ولت باشد.

به گفته‌ی پژوهشگران، این میزان به‌شدت کوچکتر از دامنه‌ی ۱۰ به توان ۲۴- تا ۱۰ به توان ۱۹ گیگا الکترون ولت است که پیش از این درنظر گرفته می‌شد. این موضوع از آن جهت مهم است که تا حد زیادی برخی از نامزدهای احتمالی برای ماده‌ی تاریک، از جمله WIMP (ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف) را از دامنه‌ی جست‌وجو خارج می‌کند.

حتی به گفته‌ی کالمت و کوایپرز اگر بعدا معلوم شود که چنین نامزدهایی عامل اصلی راز ماده‌ی تاریک هستند، این یعنی آن‌ها تحت تأثیر نیروهایی قرار دارند که هنوز شناختی از آن‌ها نداریم. این واقعا جالب است، زیرا به فیزیک جدید که ابزاری جدید برای تجزیه‌وتحلیل و درک جهان است، اشاره دارد.

بدین ترتیب قیدهای مطرح شده توسط این تیم پژوهشی، چارچوب تازه‌ای را برای بررسی ماده‌ی تاریک فراهم می‌کند و بازه‌ی دقیق‌تری برای جست‌وجو فراهم می‌کند. کوایپرز خاطرنشان کرد: «این موضوع پژوهشی بسیار مناسبی برای یک دانشجوب دکتری است و یافته‌های ما به پژوهشگران کمک می‌کند تا به کشف ماهیت واقعی ماده‌ی تاریک نزدیک شوند.»

عکس کاور: طرحی گرافیکی و تجسمی از ساختار ماده‌ی تاریک

Credit: Sakkmesterke/iStock

منبع: Science Alert

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *