مطالعه جدید برای پی بردن به ماهیت “ماده تاریک”
فیزیکدانان در تلاش برای درک ساختار بنیادی طبیعت بر چهارچوب‌های نظری سازگاری تکیه می کنند که می توانند آنچه را که می بینیم توضیح داده و پیش‌بینی‌های قابل آزمایشی را ترتیب بدهند.
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : يکشنبه 1397/02/02 ساعت 09:51
زینب شاه مرادی - مرکز یادگیری تبیان
به گزارش بیگ بنگ، در کوچکترین مقیاس ذرات بنیادی، مدل استاندارد فیزیک ذرات، مبنای درک ماست. در مقیاس کیهان، قسمت اعظمی از درک ما بر پایه مدل استاندارد کیهان‌شناسی استوار است. این مدل با بهره‌گیری از نظریه نسبیت عام اینشتین اعلام میدارد که اکثر جرم و انرژی موجود در جهان از مواد نامرئی و اسرارآمیزی به نام ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل یافته است. در طول چند دهه اخیر، این مدل در توضیح طیف وسیعی از مشاهدات جهان ما به طرز قابل توجهی موفق بوده است. ما هنوز نمی دانیم که چه چیزی ماده تاریک را تشکیل می دهد؛ فقط می دانیم به دلیل کشش گرانشی که بر خوشه‌های کهکشانی و سایر ساختارها دارد، وجود دارد. چندین ذره به عنوان کاندید پیشنهاد شده است، اما هنوز نمی توانیم در این باره با قطعیت کامل اظهار نظر بکنیم. حالا مطالعه جدید نشان می دهد ذرات فوق سبک به نام نوترینوها قسمتی از ماده تاریک را تشکیل می دهند. این مطالعه درک فعلی ما از ترکیبات ماده تاریک را به چالش می کشد.
داغ در مقابل سرد
بر اساس مدل استاندارد، ماده تاریک سرد است. یعنی از ذرات نسبتا سنگینی تشکیل یافته که در ابتدا حرکت کندی داشتند. متعاقبا، ذرات مجاور می توانند به راحتی برای ایجاد اجرام کنار هم جمع شوند. این مدل پیش‌بینی می کند که جهان باید با هاله‌های ماده تاریک کوچک پر شده باشد که بعضی از آن ها با هم ادغام شده و سیستم های بزرگتری را به وجود می آورند. اما امکان دارد حداقل بخشی از ماده تاریک داغ باشد. شاید این ماده از ذرات نسبتا سبکی تشکیل یافته باشد که سرعت بالایی دارند؛ یعنی ذرات می توانند به راحتی از نواحی متراکمی مثل کهکشان ها بگریزند. این عامل تجمع ماده جدید را کُند کرده و به جهانی منجر می شود که ایجاد ساختار در آن سرکوب می شود. نوترینوها با سرعت فوق‌العاده‌ای حرکت می کنند، کاندیدای خوبی برای ماده تاریک داغ هستند. آن ها نور را جذب یا ساطع نمی کنند. این عامل باعث می شود آن ها تاریک به نظر برسند.
برای مدتی طولانی فرض بر این بود که نوترینوها گونه‌های مختلفی دارند و فاقد جرم هستند. اما آزمایش‌ها حاکی از آن است که آنها می توانند از گونه‌ای به گونه دیگر تغییر کنند. مهم‌تر از آن، دانشمندان نشان دادند که این تغییر آنها را مجاب به داشتن جرم می کند. لذا نوترینوها گزینه مشروعی برای ماده تاریک داغ هستند. اما در طول چند دهه گذشته، آزمایشات فیزیک ذرات و دیدگاه‌های اخترفیزیکی مختلف بر این ایده تاکید داشته‌اند که نوترینوها قسمت اعظم ماده تاریک موجود در جهان را تشکیل نمی دهند. افزون بر این، مدل استاندارد فرض می کند که نوترینوها آنقدر جرم کمی دارند که سهم‌شان در ماده تاریک قابل اغماض است. اخیرا این مدل توانسته است مشاهدات کیهان شناسی گوناگونی را به ارمغان آورد.
تغییر تصویر
در چند سال گذشته، کمیت و کیفیت مشاهدات کیهان۲شناسی افزایش یافته است. یکی از نمونه‌های این مشاهدات، «مشاهده عدسی گرانشی» بوده است. نسبیت عام به ما می گوید که ماده فضا – زمان را تحریف می کند تا نور بتواند از فواصل دور از طریق اجرام بزرگی که میان ما و کهکشان‌ها قرار دارند، منحرف گردد. اخترشناسان می توانند با اندازه‌گیری چنین انحرافی، میزان رشد ساختار را در کیهان تخمین بزنند. این مجموعه داده‌های جدید راه‌های جدیدی را در اختیار کیهان‌شناسان قرار داده تا پیش‌بینی‌های مدل استاندارد را به طور جامع بررسی کنند. تصویری که از این مقایسه‌ها حاصل می آید این است که توزیع جرم در جهان به ظاهر نابهنجاری کمتری دارد، به ویژه اگر ماده تاریک سرد باشد.
مقایسه میان مدل استاندارد و مجموعه داده‌های جدید نشان داده است که این نابهنجاری یا ناصافی کیهان فقط تحت تاثیر ماده تاریک قرار ندارد، بلکه فرایندهای پیچیده‌ای که بر ماده عادی (پروتون ها و نوترون ها) تاثیر می گذارند هم نقش مهمی دارند. بر اساس فرضیه‌های قبلی، ماده عادی که هم گرانش و هم فشار را احساس می کند، مانند ماده تاریک که فقط گرانش را احساس می کند، توزیع شده است. اما حالا مطالعات ما بزرگترین نمونه از شبیه سازی های رایانه‌ای کیهان شناسی را در خصوص ماده عادی و ماده تاریک انجام داده است.
ما نتیجه می گیریم که ناسازگاری میان مجموعه داده‌های مشاهده‌ای جدید و مدل ماده تاریک سرد استاندارد بزرگتر از تصورات پیشین است. ما اثرات نوترینوها و حرکات آنان را با جزئیات کامل مورد بررسی قرار دادیم. آنطور که انتظار می رفت، وقتی نوترینوها در مدل گنجانده شدند، شکل‌گیری ساختار (Structure Formation) در کیهان کاهش پیدا کرد. نتایج ما گویای آن است که نوترینوها بین ۳ تا ۵ درصد از کل جرم ماده تاریک را تشکیل می دهند. تحقیقات حاضر می تواند به ما کمک کند جرم یک نوترینو را حساب کنیم. با توجه به آزمایش‌های گوناگون، فیزیکدانان ذرات محاسبه کرده اند که جمع سه گونه نوترینو باید حداقل ۰٫۰۶ الکترون ولت باشد. اگر این اندازه‌گیری‌ها بر جرمی که در مشاهدات پیدا کرده‌ایم، صحه بگذارند، ما می توانیم به تصویر سازگاری از نقش نوترینوها به عنوان ماده تاریک دست پیدا کنیم؛ از بزرگترین مقیاس‌های کیهان گرفته تا ریزترین قلمرو فیزیک ذرات.
منبع: http://bigbangpage.com
داغ در مقابل سرد
بر اساس مدل استاندارد، ماده تاریک سرد است. یعنی از ذرات نسبتا سنگینی تشکیل یافته که در ابتدا حرکت کندی داشتند. متعاقبا، ذرات مجاور می توانند به راحتی برای ایجاد اجرام کنار هم جمع شوند. این مدل پیش‌بینی می کند که جهان باید با هاله‌های ماده تاریک کوچک پر شده باشد که بعضی از آن ها با هم ادغام شده و سیستم های بزرگتری را به وجود می آورند. اما امکان دارد حداقل بخشی از ماده تاریک داغ باشد. شاید این ماده از ذرات نسبتا سبکی تشکیل یافته باشد که سرعت بالایی دارند؛ یعنی ذرات می توانند به راحتی از نواحی متراکمی مثل کهکشان ها بگریزند. این عامل تجمع ماده جدید را کُند کرده و به جهانی منجر می شود که ایجاد ساختار در آن سرکوب می شود. نوترینوها با سرعت فوق‌العاده‌ای حرکت می کنند، کاندیدای خوبی برای ماده تاریک داغ هستند. آن ها نور را جذب یا ساطع نمی کنند. این عامل باعث می شود آن ها تاریک به نظر برسند.
تغییر تصویر
در چند سال گذشته، کمیت و کیفیت مشاهدات کیهان۲شناسی افزایش یافته است. یکی از نمونه‌های این مشاهدات، «مشاهده عدسی گرانشی» بوده است. نسبیت عام به ما می گوید که ماده فضا – زمان را تحریف می کند تا نور بتواند از فواصل دور از طریق اجرام بزرگی که میان ما و کهکشان‌ها قرار دارند، منحرف گردد. اخترشناسان می توانند با اندازه‌گیری چنین انحرافی، میزان رشد ساختار را در کیهان تخمین بزنند. این مجموعه داده‌های جدید راه‌های جدیدی را در اختیار کیهان‌شناسان قرار داده تا پیش‌بینی‌های مدل استاندارد را به طور جامع بررسی کنند. تصویری که از این مقایسه‌ها حاصل می آید این است که توزیع جرم در جهان به ظاهر نابهنجاری کمتری دارد، به ویژه اگر ماده تاریک سرد باشد.
ما نتیجه می گیریم که ناسازگاری میان مجموعه داده‌های مشاهده‌ای جدید و مدل ماده تاریک سرد استاندارد بزرگتر از تصورات پیشین است. ما اثرات نوترینوها و حرکات آنان را با جزئیات کامل مورد بررسی قرار دادیم. آنطور که انتظار می رفت، وقتی نوترینوها در مدل گنجانده شدند، شکل‌گیری ساختار (Structure Formation) در کیهان کاهش پیدا کرد. نتایج ما گویای آن است که نوترینوها بین ۳ تا ۵ درصد از کل جرم ماده تاریک را تشکیل می دهند. تحقیقات حاضر می تواند به ما کمک کند جرم یک نوترینو را حساب کنیم. با توجه به آزمایش‌های گوناگون، فیزیکدانان ذرات محاسبه کرده اند که جمع سه گونه نوترینو باید حداقل ۰٫۰۶ الکترون ولت باشد. اگر این اندازه‌گیری‌ها بر جرمی که در مشاهدات پیدا کرده‌ایم، صحه بگذارند، ما می توانیم به تصویر سازگاری از نقش نوترینوها به عنوان ماده تاریک دست پیدا کنیم؛ از بزرگترین مقیاس‌های کیهان گرفته تا ریزترین قلمرو فیزیک ذرات.
منبع: http://bigbangpage.com
