شکارچی جدید و فوق‌حساس ماده تاریک
چگونه آشکارساز فوق‌رسانای جدید دانشگاه زوریخ، مرزهای جستجو برای ماده تاریک را جابجا می‌کند
انقلاب در کشف ماده تاریک
این دستگاه پیشگامانه با استفاده از میکروسیم‌های فوق‌رسانا و حساسیت جهتی، قادر به جستجوی ماده تاریک در محدوده‌های جرمی بی‌سابقه‌ای است
در یک پیشرفت علمی بزرگ، تیمی از فیزیکدانان دانشگاه زوریخ یک آشکارساز جدید و فوق‌العاده حساس برای شکار ماده تاریک ساخته‌اند که می‌تواند جستجو برای این ماده مرموز را وارد قلمرویی کاملاً جدید کند. ماده تاریک که حدود ۸۰٪ از جرم کیهان را تشکیل می‌دهد، تاکنون به طور مستقیم شناسایی نشده و ماهیت آن یکی از بزرگترین رازهای علم است.
چالش اصلی آزمایش‌های قبلی، عدم حساسیت آنها به ذرات ماده تاریک با جرمی کمتر از یک الکترون بود. اکنون، این آشکارساز جدید که یک نسخه بهینه‌سازی‌شده از آشکارساز فوتون منفرد نانوسیم فوق‌رسانا (SNSPD) است، این محدودیت را شکسته است. این دستگاه با رساندن آستانه حساسیت به حدود یک‌دهم جرم الکترون، پنجره‌ای نو به سوی کشف ذرات ماده تاریک فوق‌سبک گشوده است.
این فناوری بر اساس یک اصل ساده و هوشمندانه کار می‌کند: هنگامی که یک فوتون (که می‌تواند حاصل برخورد ماده تاریک با ماده معمولی باشد) به یک سیم فوق‌رسانا برخورد می‌کند، باعث ایجاد یک اختلال لحظه‌ای و قابل اندازه‌گیری در مقاومت الکتریکی آن می‌شود. نوآوری کلیدی تیم زوریخ، استفاده از میکروسیم‌ها برای افزایش سطح آشکارساز و طراحی صفحه‌ای و جهت‌دار آن است. این حساسیت جهتی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا سیگنال واقعی ماده تاریک را از نویزهای پس‌زمینه کیهانی تشخیص دهند، زیرا انتظار می‌رود جهت “باد ماده تاریک” در طول سال با حرکت زمین در کهکشان تغییر کند.
این دستاورد که در آزمایش QROCODILE به کار گرفته شده، نه تنها مرزهای فناوری را جابجا می‌کند، بلکه امیدها را برای حل معمای دیرینه ماده تاریک و درک عمیق‌تر اجزای بنیادی جهان ما زنده می‌سازد.
سایبرکست قسمت 36 : شکارچی جدید و فوق‌حساس ماده تاریک
آشکارسازی ذرات ماده تاریک
محققان با این آشکارساز جدید، آستانه حساسیت را به یک‌دهم جرم الکترون رسانده‌اند و افق‌های جدیدی برای کشف این ماده مرموز گشوده‌اند
مقدمه:
در دنیای پر رمز و راز فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی، یکی از بزرگترین معماهای حل‌نشده، وجود «ماده تاریک» است. این ماده مرموز که حدود ۸۰ درصد از جرم کل جهان را تشکیل می‌دهد، برخلاف ماده معمولی که ما می‌شناسیم، نور را جذب، ساطع یا بازتاب نمی‌کند و به همین دلیل، به طور مستقیم قابل مشاهده نیست. فیزیکدانان مدت‌هاست در پی یافتن راهی برای شکار این ذرات نامرئی هستند تا پرده از ماهیت اصلی کیهان بردارند. اکنون، خبرهای هیجان‌انگیزی از دانشگاه زوریخ به گوش می‌رسد: تیمی از فیزیکدانان یک آشکارساز فوق‌رسانا و بی‌نهایت حساس ساخته‌اند که قادر است ذرات ماده تاریک را، حتی اگر از الکترون‌ها هم کوچک‌تر باشند، شناسایی کند. این پیشرفت فناورانه، جستجو برای ماده تاریک را به قلمروهای ناشناخته‌ای سوق می‌دهد و نویدبخش درک عمیق‌تری از اجزای بنیادی جهان ماست.
ماده تاریک: معمای بزرگ کیهان
تصور کنید که بخش عظیمی از هر چیزی که در اطرافتان است – از سیارات و ستاره‌ها گرفته تا کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی – نامرئی و ناشناخته باشد. این تصور، واقعیت ماده تاریک است. با وجود شواهد گرانشی فراوان از حضور آن در ساختار کیهان، ترکیب و ساختار ذرات تشکیل‌دهنده ماده تاریک همچنان یک راز سر به مهر باقی مانده است . برای کشف این ماده گریزان، محققان تلاش می‌کنند فوتون‌ها یا ذرات نور را که هنگام برخورد ذرات ماده تاریک با ماده مرئی آشنای ما تولید می‌شوند، به دام اندازند .
چالش‌های پیشین در کشف ماده تاریک
تا به امروز، بیشتر آزمایش‌ها بر روی ذرات ماده تاریک با جرم‌هایی متمرکز بوده‌اند که تقریباً با جرم ذرات بنیادی شناخته‌شده همپوشانی داشتند. اما اگر این ذرات سبک‌تر از یک الکترون باشند، تشخیص آنها با استفاده از آشکارسازهای استاندارد کنونی، مانند آشکارسازهای مبتنی بر زنون مایع، بعید به نظر می‌رسید . حقیقت این است که تاکنون هیچ آزمایشی موفق به کشف مستقیم ماده تاریک نشده است. با این حال، همین عدم موفقیت نیز خود یک یافته مهم به شمار می‌آید؛ چرا که نشان می‌دهد ذرات ماده تاریک در محدوده جرمی و قدرت برهم‌کنش‌های آزمایش شده، وجود ندارند . این یافته، نیاز به رویکردهای جدید و حساس‌تر را بیش از پیش نمایان ساخت.
نسل جدید آشکارسازها: SNSPD و حساسیت بی‌سابقه
اکنون، یک تیم بین‌المللی به سرپرستی لورا بودیس، تیتوس نویپرت، بیورن پنینگ و آندریاس شیلینگ از دپارتمان فیزیک دانشگاه زوریخ، توانسته است وجود ذرات ماده تاریک را در محدوده جرمی وسیعی کمتر از یک مگا الکترون ولت (MeV) بررسی کند . آنها با استفاده از یک آشکارساز بهبود یافته فوتون منفرد نانوسیم فوق‌رسانا (SNSPD)، به آستانه حساسیتی در حدود یک‌دهم جرم یک الکترون دست یافته‌اند؛ به این معنی که ذرات ماده تاریک با جرمی بالاتر از این مقدار، احتمالاً وجود ندارند .
لورا بودیس، نویسنده اول این مقاله، اظهار داشته است: “این اولین باری است که ما توانسته‌ایم ذرات ماده تاریک را در چنین محدوده جرمی پایینی جستجو کنیم، و این امر با فناوری جدید آشکارساز ممکن شده است” . این آشکارساز که در آزمایش QROCODILE استفاده شده، واقعاً یک پیشرفت چشمگیر است .
چگونه این آشکارساز جدید کار می‌کند؟
ایده اصلی این آشکارساز در سال ۲۰۲۲ در یک آزمایش اثبات مفهوم، با موفقیت آزمایش شد . عملکرد آن به این صورت است که وقتی یک فوتون (که ممکن است حاصل برخورد ماده تاریک با ماده معمولی باشد) به نانوسیم فوق‌رسانا برخورد می‌کند، آن را کمی گرم کرده و باعث می‌شود که به طور ناگهانی خاصیت فوق‌رسانایی خود را از دست بدهد . در این لحظه کوتاه، سیم به یک رسانای معمولی تبدیل می‌شود و افزایش مقاومت الکتریکی حاصل از آن قابل اندازه‌گیری است .
بهینه‌سازی برای شکار ماده تاریک
برای جدیدترین آزمایش خود، دانشمندان دانشگاه زوریخ، آشکارساز SNSPD خود را به طور خاص برای شناسایی ماده تاریک بهینه‌سازی کردند. از جمله مهم‌ترین تغییرات اعمال شده:
- استفاده از میکروسیم به جای نانوسیم: به جای نانوسیم‌های قبلی، از میکروسیم‌های فوق‌رسانا استفاده شد تا سطح مقطع آشکارساز به حداکثر برسد و احتمال برخورد با ذرات ماده تاریک افزایش یابد .
- هندسه صفحه‌ای و حساسیت جهتی: آشکارساز با هندسه‌ای نازک و صفحه‌ای طراحی شده است که آن را نسبت به تغییرات جهت بسیار حساس می‌کند . چرا حساسیت جهتی مهم است؟ دانشمندان فرض می‌کنند که زمین در طول سال از میان “باد”ی از ذرات ماده تاریک عبور می‌کند و جهت این ذرات بر اساس سرعت نسبی، در طول سال تغییر می‌کند. دستگاهی که قادر به تشخیص این تغییرات جهتی باشد، می‌تواند به فیلتر کردن رویدادهایی که مربوط به ماده تاریک نیستند، کمک کند .
آینده پژوهش و چالش‌های پیش‌رو
تیتوس نویپرت، یکی از رهبران تیم، اشاره کرده است: “پیشرفت‌های تکنولوژیکی بیشتر در SNSPD می‌تواند ما را قادر سازد تا سیگنال‌هایی از ذرات ماده تاریک با جرم‌های حتی کوچک‌تر را نیز شناسایی کنیم. همچنین، ما قصد داریم این سیستم را در زیر زمین مستقر کنیم، جایی که بهتر از سایر منابع تابشی محافظت خواهد شد” . استقرار زیر زمین به کاهش نویز پس‌زمینه ناشی از پرتوهای کیهانی و سایر منابع تابشی کمک شایانی می‌کند و به آشکارساز اجازه می‌دهد تا سیگنال‌های ضعیف ماده تاریک را با دقت بیشتری تشخیص دهد.
نکته قابل توجه دیگر این است که در محدوده جرمی پایین‌تر از الکترون‌ها، مدل‌های فعلی توصیف ماده تاریک با محدودیت‌های قابل توجه اخترفیزیکی و کیهان‌شناختی مواجه هستند . این بدان معناست که هر کشف در این محدوده می‌تواند به بازنگری و توسعه مدل‌های جدید ماده تاریک منجر شود و درک ما از قوانین بنیادی فیزیک را متحول سازد.
جمع‌بندی :
اختراع این آشکارساز فوق‌حساس، یک موفقیت علمی بزرگ و یک گام جسورانه به سوی حل معمای دیرینه ماده تاریک است. این دستاورد نه تنها مرزهای دانش ما را جابجا می‌کند، بلکه افق‌های جدیدی را برای پژوهش‌های آتی در زمینه فیزیک ذرات، کیهان‌شناسی و مکانیک کوانتوم می‌گشاید. با ادامه این تحقیقات عمیق و فناورانه، ما به تدریج به روزی نزدیک‌تر می‌شویم که بتوانیم این بخش غالب و پنهان از جهان را به طور کامل درک کنیم. این مسیر علمی پر از چالش است، اما هر گامی در آن، ما را به کشف حقایق بنیادی‌تر هستی نزدیک‌تر می‌کند.
———————————————————————————
• نکات کلیدی:
- پیشرفت بزرگ در کشف ماده تاریک: محققان دانشگاه زوریخ یک آشکارساز جدید و فوق‌حساس برای شناسایی ذرات ماده تاریک ساخته‌اند.
- جستجو در محدوده جرمی جدید: این آشکارساز برای اولین بار قادر است ذرات ماده تاریک با جرمی کمتر از یک الکترون (تا یک‌دهم جرم الکترون) را جستجو کند.
- فناوری SNSPD: این دستگاه یک نسخه بهینه‌سازی‌شده از آشکارساز فوتون منفرد نانوسیم فوق‌رسانا است.
- نوآوری‌های کلیدی: استفاده از میکروسیم‌ها برای افزایش سطح مقطع و طراحی صفحه‌ای برای حساسیت جهتی.
- اهمیت حساسیت جهتی: این ویژگی به تمایز سیگنال واقعی ماده تاریک از نویز پس‌زمینه از طریق تغییرات سالانه “باد ماده تاریک” کمک می‌کند.
- آزمایش QROCODILE: این فناوری پیشرفته در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفته است.
- آینده پژوهش: تیم قصد دارد این آشکارساز را برای افزایش دقت، در تأسیسات زیرزمینی مستقر کند.
• نکات تکمیلی:
-
ترکیب کیهان: ماده تاریک حدود ۸۰ درصد از جرم کل جهان را تشکیل می‌دهد.
- روش کار: آشکارساز با اندازه‌گیری تغییر مقاومت الکتریکی در سیم فوق‌رسانا پس از برخورد فوتون کار می‌کند.
-
رهبران پژوهش: این تحقیق توسط تیمی بین‌المللی به رهبری لورا بودیس و همکارانش در دانشگاه زوریخ انجام شده است.
• نتیجه گیری:
اختراع این آشکارساز فوق‌حساس و جهت‌دار توسط تیم دانشگاه زوریخ، یک موفقیت علمی بزرگ و گامی جسورانه در مسیر حل معمای دیرینه ماده تاریک است. این دستاورد با گشودن یک پنجره جدید به محدوده جرمی زیر الکترون، نه تنها مرزهای دانش تجربی ما را گسترش می‌دهد، بلکه افق‌های جدیدی را برای پژوهش‌های آتی در فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی می‌گشاید. با ادامه این تحقیقات فناورانه، ما به تدریج به درک بخش غالب و پنهان جهان نزدیک‌تر می‌شویم.
• پرسش‌های تحقیقاتی بیشتر:
-
پس از استقرار در زیر زمین، کاهش نویز پس‌زمینه چقدر پیش‌بینی می‌شود و حد حساسیت جدید و قابل پیش‌بینی آزمایش QROCODILE چه خواهد بود؟
- این تیم از چه روش‌های آماری مشخصی برای تحلیل داده‌های یک سال کامل استفاده خواهد کرد تا به دنبال سیگنال نوسان سالانه ضعیفی بگردد که تشخیص جهت‌دار باد ماده تاریک را تأیید کند؟
- آیا مواد یا هندسه‌های فوق‌رسانای دیگری فراتر از میکروسیم‌های فعلی وجود دارند که بتوانند کارایی آشکارساز یا آستانه انرژی آن را برای تشخیص فوتون بهبود بخشند؟
-
اگر یک سیگنال تأیید شده در این محدوده جرمی پایین شناسایی شود، کدام مدل‌های موجود ماده تاریک (مانند اکسیون‌ها یا فوتون‌های تاریک) را تأیید و کدام را رد خواهد کرد؟
• سخن پایانی نویسنده :
اینکه فکر کنیم ۸۰ درصد کیهان از چیزی ساخته شده که نه می‌توانیم آن را ببینیم و نه می‌فهمیم، متواضع‌کننده است. جستجو برای ماده تاریک یکی از بزرگترین مأموریت‌های تمام دوران علم است. چیزی که این آشکارساز جدید را اینقدر درخشان می‌کند، هوشمندی آن است. موضوع فقط حساسیت بیشتر نیست؛ بلکه باهوش‌تر بودن است. ایده استفاده از سفر خود زمین در کهکشان برای ایجاد یک “فیلتر جهتی”، یک قطعه زیبا از استدلال علمی است. این فقط ساختن یک تور بهتر برای گرفتن یک ماهی نامرئی نیست؛ بلکه یادگیری دیدن امواجی است که آن ماهی هنگام شنا ایجاد می‌کند. این یک گام عمیق رو به جلو در سفر ما برای نقشه‌برداری از کیهان نادیده است.
منبع : به گزارش Sciencedaily
