جام جم آنلاين: تحقيقات دانشمندان براي پي بردن به راز ماده تاريك پس از كشف ذره بوزون هيگز شكل جديتري به خود گرفته است. گفته ميشود اين ذره ميتواند نقش پل ارتباطي ميان ماده معمولي و ماده تاريك را بخوبي ايفا كند. در واقع كشف بوزون هيگز و كاملشدن مدل استاندارد فيزيك، پايان فيزيك نظري نيست.
اين مدل تمام ذرات ماده معمولي و سه نيرو از نيروهاي چهارگانه طبيعت را بخوبي توضيح ميدهد، ولي نبايد فراموش كرد كه همه ماده مرئي و نيروهاي مرتبط با آنها فقط 4 درصد از محتواي جهان را تشكيل ميدهند و 96 درصد باقيمانده به انرژي تاريك (73 درصد) و ماده تاريك (23 درصد) اختصاص دارد.
ماده تاريك هيچ برهمكنش متقابلي با امواج الكترومغناطيسي كه عمل ديدن را ممكن ميسازند ندارد، بنابراين تمام امواج الكترومغناطيسي بدون اين كه كوچكترين تغييري در آنها ايجاد شود از ماده تاريك عبور ميكنند. كلمه «تاريك» در «ماده تاريك» با آنچه در مورد يك «اتاق تاريك» به كار ميبريم به كلي متفاوت است. تاباندن نور به يك اتاق تاريك آن را روشن خواهد كرد، ولي روشنكردن ماده تاريك بهوسيله هيچ نوري ممكن نيست. حتي تاريكي سياهچالهها هم با تاريكي ماده تاريك تفاوت دارد. پرتوهاي نور به علت جاذبه غيرقابل تصور سياهچاله قادر به ترك آن نيستند و به همين دليل ديدن آنها غيرممكن است. ولي طبق نظريه نسبيت عام، جرم سياهچاله باعث ايجاد نوعي خميدگي در ساختار فضا ـ زمان ميشود كه نور ستارگان و كهكشانها را مانند يك ذرهبين غولپيكر همگرا ميكند و به طور موقت باعث روشنايي بيشتر آنها ميشود. اين پديده يكي از دلايل محكم بر وجود سياهچالههاست ولي اين تاثير متقابل بر نور در مورد ماده تاريك وجود ندارد و اين ماده ناشناخته نهتنها با فوتونهاي نور بلكه با هيچ كدام از ذرات ماده معمولي برهم كنشي ندارد و از نظر الكتريكي هم خنثي است. ولي دانشمندان چگونه از وجود اين ماده اطمينان دارند؟
تحليل حركت كهكشانها دانشمندان را به اين نتيجه رساند كه طبق قوانين حركت نيوتن، سرعت حركت كهكشانها بايد همه محتواي داخل آنها را به سمت بيرون پرتاب كند. براي درك بهتر اين موضوع، ظرفي پر از ميوه را در نظر بگيريد كه شروع به چرخيدن ميكند. ميوههاي درون ظرف با زياد شدن سرعت چرخش به اطراف پرتاب خواهند شد. با دانستن جرم ميوهها ميتوانيم سرعتي را كه باعث پرتاب شدن آنها از روي ظرف ميشود محاسبه كنيم و برعكس. در واقع چيزي كه دانشمندان مشاهده كردند اين بود كه سرعت چرخش به اندازه كافي زياد شده است ولي ميوهها به سمت بيرون پرتاب نميشوند. پس يا قوانين نيوتن اشتباه هستند يا جرم واقعي ميوهها بيشتر از جرم اندازهگيري شده است. دانشمندان توضيح دوم را مناسبتر دانستند و نتيجه گرفتند جرم واقعي كهكشانها حدود 10 برابر از جرم ظاهري آنها بيشتر است. تلاش براي رمزگشايي از جرم فوقالعاده زياد باقيمانده كه گفته ميشود مانند هالهاي دورتادور كهكشانها حلقه زده است، اين گونه آغاز شد.
دلايل اهميت ماده تاريك
اين ماده وجود دارد و در ديناميك عالم موثر است؛ بنابراين تحقيق در مورد بخش عمده ماده موجود در عالم براي شناخت كامل آن ضروري است. از سوي ديگر ماده تاريك رابطه مستقيمي با نحوه پايان يافتن عمر عالم دارد. قبل از سال 1998 دانشمندان تصور ميكردند سرعت دورشدن كهكشانها از يكديگر كه پس از انفجار بزرگ آغاز شده بود با گذشت زمان كندتر و كندتر ميشود. مانند سنگي كه پس از پرتاب به سمت بالا هر لحظه از سرعتش كاسته ميشود و پس از توقف كامل حركت در جهت معكوس را آغاز ميكند. سال 1998 اختر فيزيكدانان دريافتند سرعت دورشدن كهكشانها از يكديگر در حال افزايش است. به عبارت ديگر بر اثر يك نيروي مرموز ضدگرانش، لحظه به لحظه بر سرعت سنگ پرتابشده افزوده ميشود. آيا اين روند افزايش سرعت براي هميشه ادامه مييابد يا پس از مدتي بر اثر جاذبه خوشههاي كهكشاني متوقف شده و روند معكوس حركت آغاز ميشود؟ مقدار جرم موجود در عالم و محاسبه نيروي جاذبه حاصل از آن يكي از عوامل اصلي در يافتن پاسخ اين سوال است. اگر مقدار اين جاذبه به اندازه كافي زياد باشد ميتواند روند انبساط را كاهش دهد و حتي متوقف كند. از سوي ديگر ارائه تصويري دقيق از چگونگي شكلگيري كهكشانها پس از انفجار بزرگ يكي ديگر از ضرورتهاي پرداختن به ماده تاريك است. در واقع پس از انفجار بزرگ، عالم چيزي جز سوپ داغ تقريبا يكنواختي از ذرات نبوده است و در نگاه اول، فضاي تقريبا خالي فوقالعاده زياد ميان كهكشانها و خوشههاي كهكشاني به هيچوجه طبيعي و قابل فهم نيست. براي پاسخ به اين ابهام، دانشمندان ايده وجود افت و خيزهاي ناچيز در چگالي ماده تاريك را مورد مطالعه قرار دادند.
دادههاي ماهواره دابليومپ كه با ثبت افت و خيزهايي در تابش ريزموج زمينه كيهاني (گرماي ساطع شده از انفجار بزرگ كه هنوز در همه جاي عالم قابل مشاهده است) تصويري از دوران نوزادي عالم را ارائه كرد، باعث تائيد اين نظريه شد. سبك يا سنگين بودن ذره ماده تاريك با چگونگي شكلگيري ساختارهاي كيهاني رابطه مستقيم دارد. مدلهاي موجود به علت نداشتن درك صحيح از ماهيت ماده تاريك و جرم ذرات آن با ابهامات جدي روبهرو هستند.
كانديداهاي ماده تاريك
اگرچه ميتوانيم با استفاده از اثرات گرانشي ماده تاريك، جرم كل ماده تاريك موجود در عالم را تخمين بزنيم، هيچ چيز در مورد جرم ذره اين ماده نميدانيم. تصور كلي بر اين است كه اين ماده از ذراتي فوقالعاده پرجرم به نام «ويمپ» يا ذره پرجرم با برهم كنش ضعيف تشكيل شده است. اگر اين تصوير كلي درست باشد بدون شك بهترين مكان براي توليد و آشكارسازي آن برخورددهنده بزرگ ذرات در مركز اتمي سرن خواهد بود. ذره بوزون هيگز آخرين ذره پرجرم مشاهده شده در سرن است. نكته جالب توجه اين است كه آشكارسازي اين ذره فوقالعاده كوچك ديدگاه ما را از عالم هستي و سرنوشت آن دستخوش تغيير ميكند. ذره ديگري كه گمان ميرود ماده تاريك باشد ذرهاي بسيار سبك به نام نوترينو است. اين ذره 30 ميليون برابر از پروتون و نوترون سبكتر است ولي تعداد نوترينوهاي موجود در عالم 300 ميليون برابر نوترونها و پروتونهاست. به عبارت ديگر جرم نوترينوها 10 برابر از پروتونها و نوترونها بيشتر است. از نظر برهم كنش نشاندادن با ديگر ذرات هم نوترينو طبق انتظاري كه از ماده تاريك ميرود بسيار ضعيف است. يك نوترينو بايد از ميان 40 ميليون خورشيد عبور كند تا دانشمندان 50 درصد احتمال واكنش با يك ذره ديگر را براي آن در نظر بگيرند. با وجود اين، درصد قابل توجهي از آزمايشات آشكارسازي ماده تاريك با فرض سنگين بودن اين ماده طراحي و اجرا ميشود.
رابطه ميان ماده تاريك و بوزون هيگز
اگر ماده تاريك واكنشي در برابر ماده معمولي از خود نشان ندهد، هيچ اميدي به آشكارسازي مستقيم آن نيست. بنابراين ميتوانيم روي وجه تشابه ماده تاريك و ماده معمولي كه داشتن جرم است براي آشكارسازي غيرمستقيم آن كار كنيم. علت وجود جرم در ماده معمولي طبق يافته اخير دانشمندان بوزون هيگز است كه با ايجاد ميدان هيگز باعث جرمدارشدن ماده ميشود. اگر علت وجود جرم در ماده تاريك هم بوزون هيگز باشد توانستهايم ذرهاي بيابيم كه هم با ماده معمولي و هم با ماده تاريك برهمكنش دارد. درست مثل اين كه در يك شهر با دو زبان مختلف، يك مترجم مسلط به هر دو زبان پيدا شود و امكان برقراري ارتباط ميان آنها را فراهم كند. دانشمندان قصد دارند بوزون هيگز را پس از توليد در برخورددهنده بزرگ هادرون، با ماده تاريك كه ممكن است همه فضاي اطراف ما را پر كرده باشد، برخورد دهند و با تجزيه و تحليل نتايج اين برخورد از ماهيت ماده تاريك رمزگشايي كنند. كشف نوع كاملا جديدي از ماده شايد بزرگترين دستاورد تاريخ علم و نتيجه بيش از 2000 سال تلاش و تفكر طاقتفرسا و دنبالهدار بشر براي شناخت عالمي است كه سخاوتمندانه امكان حيات را براي او فراهم آورده است. آيا برخلاف همه شايعات درمورد نابودي زمين در 2012، كشف بوزون هيگز در اين سال آغازگر فصل كاملا جديدي در علم خواهد بود؟
نوسانات چگالي در ماده تاريك
تصوير ماهواره دابليومپ 380 هزار سالگي عالم را نشان ميدهد. اگر جهان امروز را پيرمردي هشتاد ساله فرض كنيم، اين تصوير او را به عنوان نوزادي يك روزه نشان ميدهد. هريك از نقاط روي تصوير نشاندهنده نوساناتيدر ماده اوليه عالم هستند كه بعدها به كهكشانهايي مانند كهكشان راهشيري تبديل شدند. دانشمندان عامل اصلي به وجود آمدن اين نقاط را نوسانات چگالي در ماده تاريك ميدانند.
مسعود توكلي / جامجم