نظریه جدید انقلابی درباره ماهیت ماده تاریک به پا کرد!

به گزارش مجله خبری نگار/گجت نیوز،نظریه جدید: گراویتینو‌های باردار، نامزد اصلی ماده تاریک؟ ماده تاریک همچنان یکی از بزرگ‌ترین معما‌های فیزیک بنیادین باقی مانده است. پس از گذشت بیش از ۴۰ سال جستجوی گسترده، بسیاری از نظریه‌های پیشنهادی مانند «آکسیون‌ها» یا «ویپ‌ها» نتوانستند ماهیت این ماده مرموز را توضیح دهند. اما اکنون، نظریه‌ای جدید در فیزیک ذرات و گرانش، کاندیدا‌هایی رادیکال و متفاوت را معرفی کرده است که آن گراویتینو‌های فوق سنگین با بار الکتریکی است. مقاله‌ای که اخیراً در مجله Physical Review Research توسط دانشمندان دانشگاه ورشو و مؤسسه ماکس پلانک آلمان منتشر شده، نشان می‌دهد که آشکارساز‌های زیرزمینی جدید، به‌ویژه آشکارساز JUNO که به‌زودی شروع به جمع‌آوری داده می‌کند، برای شناسایی این گراویتینو‌های باردار بسیار مناسب هستند. شبیه‌سازی‌های پیشرفته‌ای که فیزیک ذرات بنیادی و شیمی کوانتومی را ترکیب کرده‌اند، نشان می‌دهند سیگنال گراویتینو در این آشکارساز‌ها باید منحصر‌به‌فرد و غیرقابل‌اشتباه باشد. اصلاح نظریه ابرگرانش N=۸ و کشف گراویتینو‌های الکتریکی در سال ۱۹۸۱، موری گلمان، برنده جایزه نوبل، متوجه شد که ذرات مدل استاندارد (کوارک‌ها و لپتون‌ها) در نظریه‌ای کاملاً ریاضیاتی به‌نام ابرگرانش N=۸ که دو سال قبل از آن فرموله شده بود، جای می‌گیرند. ابرگرانش N=۸ علاوه بر ذرات ماده مدل استاندارد با اسپین یک‌دوم، شامل بخش گرانشی (گراویتون با اسپین ۲ و هشت گراویتینو با اسپین سه‌دوم) نیز می‌شود. این نظریه، که تنها توضیح شناخته‌شده برای تعداد کوارک‌ها و لپتون‌ها در مدل استاندارد است، با این حال مشکلاتی داشت، از جمله اینکه بار‌های الکتریکی ذرات مدل استاندارد را به اندازه ±یک‌ششم نسبت به مقادیر شناخته‌شده جابه‌جا می‌کرد. چندین سال پیش، کریشتوف مایسنر از دانشگاه ورشو و هرمان نیکولای از مؤسسه ماکس پلانک، ایده گلمان را اصلاح کرده و موفق شدند بار‌های الکتریکی صحیح ذرات مدل استاندارد را به دست آورند. این اصلاحات بسیار عمیق هستند و به تقارن بی‌نهایت K (E۱۰) اشاره دارند. یکی از نتایج شگفت‌آور این اصلاحات، این حقیقت است که گراویتینوها، با وجود جرم بسیار زیاد نزدیک به مقیاس پلانک، دارای بار الکتریکی هستند: ۶ نوع از آنها دارای بار ±یک‌سوم و ۲ نوع دارای بار ±دو‌سوم هستند. چرا ماده تاریک باردار قابل رصد است؟ گراویتینو‌ها با وجود اینکه بسیار پرجرم هستند، نمی‌توانند واپاشی کنند، زیرا ذره‌ای برای واپاشی به آن وجود ندارد. مایسنر و نیکولای پیشنهاد کردند که ۲ نوع از گراویتینو‌ها با بار ±دو‌سوم، می‌توانند ذرات ماده تاریک باشند که بسیار متفاوت از کاندیدا‌های معمول، مانند آکسیون‌های فوق‌سبک یا ویپ‌های با جرم پروتون که الکتریکی خنثی بودند، هستند. اما این سؤال مطرح می‌شود که چگونه یک ذره باردار می‌تواند ماده تاریک باشد؟ پاسخ این است که گراویتینو‌ها آنقدر سنگین و در نتیجه کمیاب هستند که «در آسمان نمی‌درخشند» و از این رو با محدودیت‌های شدید بر بار الکتریکی اجزای ماده تاریک سازگارند. بیشتر بخوانید منظومه‌های ستاره‌ای پنهان در کهکشان راه شیری می‌توانند اسرار ماده تاریک را آشکار کنند کارشناسان نظریه جدیدی را درباره منشا ماده تاریک مطرح کردند بزرگترین معما‌های جهان هستی که هنوز بی‌پاسخ مانده‌اند! فیزیکدانان سرنخ‌هایی را از ماده اولیه جهان یافتند به‌علاوه، بار الکتریکی گراویتینو‌ها راه کاملاً متفاوتی برای اثبات وجود آنها پیشنهاد می‌کند: آشکارساز‌های نوترینو. کمیاب‌بودن شدید این ذرات (حدود یک گراویتینو در هر ۱۰٬۰۰۰ کیلومتر مکعب در منظومه شمسی)، تشخیص آنها را به‌شدت دشوار می‌کند، اما نسل جدید آشکارساز‌های غول‌پیکر زیرزمینی، مانند آشکارساز‌های نفت یا آرگون مایع، امید‌ها را برای جستجوی این ذرات افزایش داده‌اند. نقش آشکارساز JUNO در رمزگشایی از معمای کیهان در میان تمام آشکارسازها، رصدخانه زیرزمینی نوترینوی جیانگمن (JUNO) در چین که در حال ساخت است، برای چنین جستجویی سرنوشت‌ساز به نظر می‌رسد. این آشکارساز عظیم، که هدف آن تعیین خواص نوترینو‌ها (یا در واقع پادنوترینوها) است، باید حجم بسیار بزرگی داشته باشد، زیرا نوترینو‌ها به‌شدت ضعیف با ماده برهم‌کنش می‌کنند. آشکارساز JUNO شامل ۲۰٬۰۰۰ تُن مایع آلی و روغنی در یک مخزن کروی به قطر تقریبی ۴۰ متر است که با بیش از ۱۷ هزار فوتومولتی‌پلایر احاطه شده است. انتظار می‌رود JUNO در نیمه دوم سال ۲۰۲۵ (۱۴۰۴ شمسی) شروع به اندازه‌گیری کند. مقاله اخیر منتشر شده توسط مایسنر و نیکولای، با همکاری آدریانا کروک و میخال لسیوک، تجزیه و تحلیل دقیقی از امضا‌های خاصی را ارائه می‌دهد که گراویتینو‌ها می‌توانند در JUNO و آشکارساز‌های آینده مانند DUNE در آمریکا ایجاد کنند. این پژوهش شامل شبیه‌سازی‌های بسیار پیشرفته‌ای از حرکت و مسیر یک گراویتینو در مایع آشکارساز است که نیازمند دانش عمیق شیمی کوانتومی و محاسبات فشرده بود. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که با نرم‌افزار مناسب، عبور یک گراویتینو از آشکارساز سیگنالی منحصر‌به‌فرد بر جای می‌گذارد که تشخیص آن از سیگنال ذرات شناخته‌شده دیگر غیرممکن است.