تخمین دقیق‌تر از حد ذرات ماده تاریک

به گزارش لایوساینس پژوهشگران از داده‌های به دست آمده از "تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی" ناسا برای محاسبه سرعت برخورد ذرات ماده تاریک با ضدماده‌های‌شان و نابودشدن‌شان در کهکشان‌هایی که به دور کهکشان راه شیری ما می‌چرخند، استفاده کردند تا پارامترهای مربوط به جرم ذرات تاریک را تعیین کنند.

ساواس کوشیاپاس، استادیارد بخش فیزیک در دانشگاه براون، و دانشجوی دوره فوق‌لیسانس آلکس گرینگر- اسمت دریافتند که ذرات ماده تاریک باید جرمی بیشتر از 40 گیگا الکترون ولت(GeV)- تقریبا 42 برابر جرم یک پروتون را داشته باشند.

کوشیاپاس در بیانیه‌ای اعلام کرد: "بر اساس یافته‌های ما اگر ذره یک توده جرمی کمتر از 40 گیگا-الکترون‌ولت داشته باشند، نمی‌توان آنها را ذره ماده تاریک خواند."

جزئیات این بررسی در جورنال Physical Review Letters منتشر شده است.

تردید در یافته‌های پیشین

این پژوهشگران می‌گویند نتایج آنها با یافته‌های اخیر از تجربیات زیرزمینی که کشف بالقوه ماده تاریک را گزارش کرده بود، تطبیق ندارد.
این تجربیات مدعی بودند که ذرات ماده تاریک با جرمی از 7 تا 12 گیگا الکترون ولت یافته‌اند، میزانی بسیار کمتر حد تعیین شده بر اساس بررسی جدید است.

اما قضیه پیچیده‌تر از اینهاست. در دهه 1920 ادوین هابل ستاره‌شناس کشف کرد که جهان ایستا نیست، بلکه در حال گسترش است. بیش از70 سال بعد، مشاهدات تلسکوپ فضایی هابل که نام این ستاره‌شناس را بر خود داشت، نشان داد که جهان با سرعتی بسیار بیشتر از حدی که قبلا تصور می‌شد، در حال گسترش و انبساط است.

کیهان‌شناسان معتقدند نیروی مرموزی به نام انرژی تاریک زمینه‌ساز این شتاب گرفتن شگفت‌آور انبساط جهان است. انرژی تاریک، مانند ماده تاریک، به طور مستقیم شناسایی نشده است، اما تصور می‌‌شود عامل نیرویی باشد که کیهان را با سرعت مرتبا فزاینده گسترش می‌دهد.

کوشیاپاس می‌گوید: "اگر فرض کنیم که جرم ذره ماده تاریک کمتر از 40 گیگا الکترون ولت است، در این صورت مقدار ماده تاریک در حال حاضر آنقدر زیاد خواهد بود که دیگر نمی‌‌شود با این سرعت شتابنده انبساط پیدا کند."

جهان پیچیده ما

تصور می‌‌شود که انرژی تاریک 73 درصد از کل جرم و انرژی جهان را تشکیل می‌دهد. ماده تاریک 23 درصد بقیه را تشکیل می‌دهد و تنها 4 درصد از جهان از ماده معمول که ما می‌توانیم آن را ببینیم، مانند ستاره‌ها، سیاره‌ها و کهکشان‌ها تشکیل شده‌اند.

اما از آنجایی که نه ماده تاریک و نه انرژی تاریک به طور مستقیم قابل‌ شناسایی نیستند، مفاهیمی ثابت‌نشده باقی می‌مانند.

دست کم از یک لحاظ تصور می‌شود که ماده تاریک مانند ماده معمول عمل می‌کند، هنگامی که ذرات ماده تاریک با ذرات ضدماده مربوط به خود برخورد می‌کنند، باید یکدیگر را نابود کنند. ضدماده متناظر ماده معمولی است؛ تصور بر این است که برای هر ذره ماده یک ذره ضدماده متناظر وجود دارد که جرمی معادل آن و باری مخالف آن دارد.

دانشمندان تصور می‌کنند که ماده تاریک از ذراتی به نام "ذرات پرجرم با تعامل ضعیف" (WIMP) تشکیل شده باشند. هنگامی که یک WIMP با ضدذره خود برخورد می‌کنند، باید یکدیگر را نابود کنند.

کوشیاپاس و گرینگر- سامت برای بررس جرم ماده تاریک، اساس این روند نابودی را معکوس کردند. آنها به مشاهده هفت کهکشان کوتوله پرداختند که تصور می‌شود مملو از ماده تاریک باشند، زیرا حرکت ستاره‌‌های درون آنها را نمی‌توان با جرم آنها به تنهایی به طور کامل توضیح داد.

به گفته کوشیاپاس از آنجایی که این کهکشان‌های کوتوله همچنین گاز هیدروژن و سایر مواد معمول بسیار کمتری دارند، تصویر واضحتری از ماده تاریک و اثرات آن را به دست می‌دهند.

فیزیکدانان با استفاده از داده‌های جمع‌آوری‌شده در سه سال گذشته بوسیله تلسکوپ فرمی که تابش پرتوهای پرانرژی گاما را رصد می‌کند، به عقب باز گشند.

این دانشمندان با اندازه‌گیری شمار ذرات نور، به نام فوتون‌ها، در این کهکشان‌ها محاسبه معکوس انجام دادند تا مشخص کنند هر چند وقت یک بار ذراتی نام کوارک تولید می‌شده‌اند که فراورده واکنش نابودی WIMP و ضدWIMP هستند.

این کار فیزیکدانان را قادر کرد تا حدود جرم ذرات ماده تاریک و سرعت نابود‌شدن‌شان را تعیین کنند.