آشکارساز ماده تاریک عجیب‌ترین رویداد کیهان تا به امروز را ثبت کرد

0
3
آشکارساز ماده تاریک
آشکارساز ماده تاریک

از دهه ۱۹۶۰، دانشمندان این نظریه را مطرح کردند که کیهان با ماده‌ای نامرئی و رازآلود به نام ماده تاریک پر شده است. تخمین زده می‌شود که این ماده ۸۵ درصد ماده کیهان و یک چهارم چگالی انرژی آن را تشکیل می‌دهد. ماده تاریک همیشه به صورت غیر مستقیم مشاهده و مطالعه شده و همه تلاش‌ها برای تشخیص ماهیت واقعی آن شکست خورده‌اند.

برای حل این مشکل، آزمایشات متعددی با ابزارهای فوق پیچیده در جریان است. یکی از این آزمایش‌ها با نام زنون (XENON)، اخیرا فرایندی را مشاهده کرده که تلاش‌های قبلی برای تشخیص آن ناموفق بوده است. نتایج آزمایش زنون می‌تواند به ارتقای درک دانشمندان از نوترینوها کمک کند؛ چیزی که برخی از دانشمندان معتقدند ماده تاریک را تشکیل می‌دهد.

زنون یک پروژه آزمایشی مشترک از حدود ۱۶۰ دانشمند از اروپا، ایالات متحده و خاورمیانه است. در حال حاضر این پروژه توسط پرفسور النا آپریل از دانشگاه کلمبیا رهبری می‌شود و توسط آزمایشگاه ملی گرن ساسو (LNGS) در ایتالیا اجرا می‌شود.

هدف این پروژه هم مثل سایر آزمایشات ماده تاریک، شناسایی ذرات داوطلب به عنوان ماده تاریک با نام ذرات سنگین با برهم کنش ضعیف (WIMPS) بوده است. برای اینکار تجهیزات در عمق زیاد زمین قرار گرفت تا با سایر منابع نوترینو (مثل نوترینوی خورشیدی که توسط خورشید و نوترینوهای کیهانی ایجاد می‌شوند) تداخل نداشته باشند.

در آزمایش زنون، یک محفظه در از زنون-۱۲۴ مایع برای تشخیص نشانه‌های تعامل ذرات مشاهده شد. این نشانه‌ها می‌توانستند اولین شواهد آزمایش مستقیم روی ذرات داوطلب ماده تاریک باشند. اولین نتایج این آزمایش وجود ماده تاریک را تایید نکرد اما برای اولین بار زوال هسته اتمی زنون-۱۲۴ مشاهده شد.

در ساختنی بخوانید :
ماموریت فضایی ناسا یک قمر به سیاره ماه هدیه میکند!

به دلایل متعدد، این دستاوردی بزرگ است. گذشته از اینکه یک اولین در تاریخ علم است، نیمه حیات اندازه‌گیری شده برای زنون-۱۲۴ یک میلیون برابر عمر کیهان (۱۳.۸ میلیارد سال) است. همین زوال رادیواکتیو مشاهده شده توسط دانشمندان را به عجیب‌ترین فرایندی تبدیل می‌کند که تابحال توسط یک آشکارساز مشاهده شده است.

موفقیت این گروه در مشاهده مستقیم این فرایند، نشان‌دهنده میزان قدرت روش تشخیص آنهاست. این روش آنقدر موثر بوده که سیگنال‌هایی که ناشی از ماده تاریک نبوده‌اند را هم تشخیص داده است.

روش کار پروژه زنون برای مشاهده فرایند زوال هسته اتم هم بسیار جالب است. یک اتم زنون-۱۲۴ از ۵۴ پروتون و ۷۰ نوترون تشکیل شده که با پوسته اتمی و ۵۴ الکترون احاطه شده‌اند. در فرایندی به نام ضبط الکترون دوبل، دو پروتون در هسته به صورت همزمان دو الکترون از درونی‌ترین هسته جذب می‌کنند، آنها را به دو نوترون تبدیل می‌کنند و دو نوترینو ایجاد می‌کنند.

سپس باقی الکترون‌ها خودشان را برای پر کردن شکاف ایجاد شده در داخلی‌ترین پوسته از نو سازماندهی می‌کنند و انرژی به شکل پرتوهای ایکس و چیزی به نام الکترون اوژه آزاد می‌شود. اما شناسایی این سیگنال‌ها بسیار دشوار است چون این فرایند بسیار نادر است و توسط رادیواکتیویته خنثی مخفی می‌شود. با این وجود، دانشمندان پروژه زنون به لطف یک سال رصد و مشاهده با ابزارهای علمی موفق به انجامش شدند.

پرتوهای ایکس تابیده شده در اثر ضبط الکترون دوبل، یک سیگنال نوری در زنون مایع و الکترون آزاد تولید می‎کند. سپس این الکترون‌ها به سمت بخش بالایی و پر از گاز آشکارساز حرکت می‌کنند و آنجا یک سیگنال نوری دوم ایجاد می‎کنند. فاصله زمانی بین این دو با زمان رسیدن الکترون‌ها به بالای آشکارساز یکسان است!

در ساختنی بخوانید :
امواج رادیویی را بهتر بشناسیم

تیم دانشمندان از سنسورهای محفظه برای بازسازی موقعیت ضبط الکترون دوبل و از قدرت سیگنال برای اندازه‌گیری مقدار انرژی آزاد شده استفاده کردند. همین ابزارها برای تبیین نیمه حیات بسیار طولانی زنون که حدود ۱٫۸×۱۰²² محاسبه شده، به کار گرفته شدند.

این نتایج توانایی آشکارسازهای زنون برای شناسایی فرایندهای نادر را نشان می‌دهد. نتایج جدید امکان تحقیقات بیشتر درباره نوترینوها که سبک‌ترین ذرات بنیادی هستند و هنوز به درستی شناخته نشده‌اند را فراهم می‌کند. این شناخت شامل جرم نوترینو هم می‌شود که هنوز به درستی تخمین زده نشده است. همین نشان می‌دهد تکنولوژی آشکارساز ماده تاریک زنون، بسیار تطبیق‎پذیر و همه‌کاره است. وقتی سیستم آزمایشی با حساسیت کافی برای تشخیص ماده تاریک بسازید، امکانات جانبی زیادی نصیب‌تان خواهد شد.

پروژه XENON1T بین سال‌های ۲۰۱۶ تا دسامبر ۲۰۱۸ به جمع‌آوری داده پرداخته اما اکنون برای ارتقای ابزارها متوقف شده است. وقتی این ارتقاها کامل بشوند، تیم تحقیقاتی اجرای فاز بعدی مشاهدات را آغاز خواهد کرد. این فاز XENONnT نام دارد و شامل یک آشکارساز فعال سه برابر آشکارساز فعلی است.

محققان انتظار دارند این پیشرفت‌ها منجر به شناخت بیشتر ماده تاریک بشوند.

منبع