بیگ بنگ: مادهٔ مرئی – از گردهٔ گیاهان گرفته تا ستارگان و کهکشان‌ها – نزدیک به 15 درصد از جرم کلی کیهان را تشکیل می‌دهد. 85 درصد باقیمانده از چیزی کاملاً متفاوت نسبت به تمام اشیائی که ما می‌بینیم و لمس می‌کنیم شکل گرفته است: مادهٔ تاریک. با وجود شواهد بسیار از مشاهدات تاثیرات گرانشی، ماهیت مادهٔ تاریک و مواد تشکیل دهندهٔ آن، ناشناخته باقی مانده است.

به گزارش بیگ بنگ، اگر این ماده نامرئی است، فیزیکدانان چطور می‌توانند آن را در سطحی فراتر از اثرات گرانشی مورد مطالعه قرار دهند؟ محققان سه رویکرد را در پیش گرفته‌اند: 1-شناسایی غیرمستقیم با رصدخانه‌های اخترشناسی 2-در جستجوی مواد حاصل از فروپاشش مادهٔ تاریک در مراکز کهکشانی؛ شناسایی مستقیم با آزمایشات بسیار حساس بر روی پس زمینهٔ دور(کیهانی) 3-در جستجوی انتشار مادهٔ تاریک از هستهٔ اتم؛ و همچنین تولید مادهٔ تاریک در محیط آزمایشگاهی کنترل شدهٔ برخورددهندهٔ هادرونی بزرگ در سرن.

با اینکه “مدل استاندارد ذرات” در توصیف ذرات پایه و برهم‌کنش آنها در سطوح انرژی پایین موفق بوده، اما نتوانسته اثراتی از ذرۀ ماده تاریک را بیابد. تنها موارد محتمل، یعنی نوترینوها، ویژگی‌های مناسب برای توضیح “ماده تاریک” را ندارد. برای حل این مسئله، یک ایدۀ نظری در “مدل استاندارد” بیان دارد که ذرات موجود، نظیر بوزون هیگز، بعنوان «دروازه‌ای» بین ذرات ِ شناخته شده و ذرات مادهٔ تاریک عمل می‌کنند. از آنجایی که بوزون هیگز با جرم‌دار شدن ماده در ارتباط است، ذرات پرجرم مادهٔ تاریک باید با آن برهم‌کنش داشته باشند. هنوز اطمینان بالایی در مورد قدرت برهم‌کنش بوزون هیگز با ذرات مدل استاندارد وجود ندارد. بر اساس آخرین اندازه گیری‌های ترکیبی بوزون هیگز توسط آشکارساز اطلس، حدود 30 درصد از فروپاشی بوزون هیگز می‌تواند نامرئی باشد.

آیا مقداری از بوزون هیگز می‌تواند فروپاشیده و به مادهٔ تاریک تبدیل شود؟

از آنجایی که مادهٔ تاریک با آشکارساز اطلس برهم‌کنش ِ مستقیم ندارد، فیزیکدانان به دنبال ِ نشانه‌های «ذرات نامرئی» می‌گردند که از حفظ نیروی جنبشی برخورد پروتون-پروتون حاصل شده‌اند. طبق مدل استاندارد، مقدار بوزون هیگز فروپاشیده به یک وضعیت نهایی نامرئی (چهار نوترینو!) تنها 0.1 درصد را در بر می‌گیرد و بنابراین نامحسوس است. اگر این رخدادها مشاهده شوند، اشارهٔ مستقیمی از فیزیک جدید و شواهدی مبنی بر فروپاشی بوزون هیگز و تبدیلش به ذرات “ماده تاریک” خواهد بود.

در برخورد دهنده هادرونی بزرگ، حساس‌ترین کانال برای جستجو به دنبال فروپاشی مستقیم بوزون هیگز و تبدیل آن به ذرات مرئی، از راه تولید همجوشی برداری بوزون در ذرهٔ بوزون هیگز است. این تولید باعث ایجاد دو صف(جت) از ذرات می‌شود که در آشکارساز اطلس در جهتی بیشتر رو به جلو حرکت می‌کنند. این مسئله به همراه انرژی جنبشی پنهانی بزرگی در جهت عمود (متقاطع) بر محور اشعه از ذرات نامرئی ماده تاریک، امضایی منحصر به فرد تولید می‌کند که فیزیکدانان اطلس به دنبال آن می‌گردند.

در نتایجی که بتازگی منتشر شده، تحقیقات آشکارساز اطلس به مطالعهٔ کامل مجموعه داده‌های برخورد دهنده پرداخت که توسط این گروه در بازهٔ سال‌های 2015 تا 2018 میلادی به منظور جستجوی “فروپاشی بوزون هیگز به ذرات ماده تاریک” در رخدادهای همجوشی بُرداری گردآوری شده است. در این بررسی‌ها افزایش رخداد قابل توجهی در پس زمینهٔ مورد نظر در خصوص فرایندهای مدل استاندارد یافت نشد. این تحقیقات با دقت 95 درصد، متوجه حد خارج 13 درصدی از فروپاشی بوزون هیگز به ذرات ماده تاریک شد. در این بررسی در حدود 75 درصد داده‌های بیشتری نسبت به دفعات قبل استفاده شده بود. همچنین گروه تحقیقاتیبه پیشرفت‌هایی دست یافت که شامل موارد زیر است:

الگوریتم‌های فیلترینگ ِ سریع‌تر برای تولید برخوردهای شبیه‌سازی شدۀ بیشتر با توان محاسباتی برابر. این الگوریتم شامل عدم وجود رویدادهای شبیه‌سازی شده و عدم اطمینان اصلی در نسخه 13 ترا الکترون ولت(TeV) اول این تحلیل بود.
– انتخاب برخورد بهینه، برای پذیرش تقریبأ 50 درصد رویدادهای بوزون-هیگز بیشتر در همان مجموعه داده.
-طبقه‌بندی رویداد پالایش شده، برای ایجاد نسبت سیگنال به پس زمینۀ بالاتر در مناطق جستجو. این مسئله در شکل 1 دیده می‌شود، زیرا منحنی قرمز رنگ در قسمت پایینی با افزایش جرم ثابت دو جت اصلی(mjj) افزایش می‌یابد.
-بهبود پذیرش برخوردهای غنی شده در فرآیندهای پس زمینه به تحلیلگران این امکان را می‌دهد تا مدل‌سازی فرایند پس زمینه را بهبود بخشند.

حد خارج مشاهده شده با هیچ نشانه‌ای از فروپاشی بوزون هیگز به ماده تاریک مطابقت ندارد. نتایج جدید باعث پیشبرد جستجو برای ذرات پرجرم با برهم‌کنش ضعیف-ویمپ(WIMP) می‌شود که کاندیدای جدید مورد استقبال برای ماده تاریک است. گروه اطلس حدود خارج دیگری برای جرم‌های پایینتر ذرات ویمپ تعیین کرده است که در شکل 2 با دیگر آزمایشات مشاهدات مستقیم مقایسه شده‌اند. این حدود در رقابت با بهترین آزمایشات مشاهده مستقیم حجم ذرات ویمپ تا نیمی از مقدار جرم بوزون هیگز است؛ البته با فرض اینکه بوزون هیگز به صورت مستقیم با ماده تاریک هم کنش دارد.

بررسی جدید این گروه قویترین حدود موجود تا به امروز را برای فروپاشی بوزون هیگز قرار داده است. با پیشرفت این تحقیقات، فیزیکدانان نیز حساسیت بیشتری نسبت به جستجوی بنیادین به دنبال ماده تاریک به خرج خواهند داد.

ترجمه: رضا کاظمی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: scitechdaily.com