اثبات وجود دریچه ای برای ورود به فیزیک جهان تاریک

فیزیکدانان نظری فرضیه جدیدی مطرح کرده اند که هدف آن، برقراری ارتباط میان فیزیک اشیای مرئی و نیروهای پنهان جهان است: اگر درگاهی وجود داشته باشد که روی فاصله میان مدل استاندارد ماده تاریک و انرژی تاریک پل بزند، چه می شود؟

گویا آی تی – ایده اصلی این فرضیه آن است که، دلیل آنکه در شناخت چیزهایی مانند ماده تاریک و انرژی تاریک بسیار به زحمت افتاده ایم، آن نیست که آنها وجود ندارند؛ بلکه دلیلش آن است که نسبت به درگاهی که می تواند محل تعامل و برهمکنش ذرات معمولی و این ذرات “تاریک” باشد، بی اعتنا بوده ایم. وجود این درگاه را می توان به صورت تجربی آزمایش کرد.
ایده وجود چنین درگاه هایی در جهان، در نگاه اول بسیار عجیب به نظر می رسد.، اما یک لحظه توجه کنید: ما از درگاههایی در ابعاد کوانتومی صحبت می کنیم؛ یعنی در مقیاس بسیار بسیار کوچک. نه درگاهی که بتوان یک فضاپیما را از آن رد کرد.

و این اولین باری نیست که این نوع از درگاهها در جهان فیزیک نظری بررسی و کشف شده است.
یک شکاف بزرگ در جهان فیزیک وجود دارد که بین آنچه می توانیم “فیزیک قابل مشاهده” بنامیم و آنچه “فیزیک تاریک” می دانیم، به وجود امده است. به همین دلیل می توان وجود مفهومی مثل درگاه را در نظر گرفت. فیزیک قابل مشاهده، به چیزهایی مربوط می شود که می توانیم اندازه بگیریم و مستقیما شناسایی نماییم؛ مانند امواج الکترومغناطیسی و فوتون ها. اما فیزیک تاریک، از چیزهایی تشکیل شده که می توانیم آثار آنها را احساس کنیم، اما نمی توانیم با آنها تعامل داشته باشیم؛ مثل ماده تاریک و انرژی تاریک. درگاه ها، نشان دهنده تلاش ما برای توضیح شیوه تعامل این دو جهان ظاهرا مجزا می باشد. همین تعاملات هستند که جهان ما را شکل داده اند.

قسمت قابل مشاهده فیزیک، بر محور ۱۷ نوع ذره می گردد که مدل استاندارد را تشکیل می دهند؛ از جمله این ذرات می توان به الکترون ها، فوتون ها، و بوزون هیگز اشاره کرد.
اما متاسفانه، مدل استاندارد نمی تواند همه آنچه که شاهد وقوعش در جهان هستیم را توضیح دهد. مهم تر از همه آنکه، این مدل نمی تواند گرانش یا نرخ انبساط جهان را توضیح دهد.
این مسئله باعث شد دانشمندان نیروهای فرضی ماده تاریک و انرژی تاریک را معرفی کنند. پیش بینی می شود این نیروها ۹۵ درصد از جهان را تشکیل داده باشند.
تحقیقات مختلف نشان داده اند که ممکن است ذرات پنهان و تاریکی وجود داشته باشند که ماده تاریک و انرژی تاریک را تشکیل دهند، اما ابزارهای ما نمی توانند آنها را آشکار کنند. اما آزمایش هایی مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون، روی آن کار می کنند. در این آزمایش ها، ذرات منظم با سرعت فوق العاده بالا با هم برخورد می کنند، به امید آنکه در خرابه های باقی مانده از آنها، چیزی به دست آید که نمایند بخش تاریک فیزیک باشد.

اما تاکنون، جهان فیزیک تاریک موفق شده خودش را از ما پنهان نگه دارد. و همین امر یک شکاف بزرگ ایجاد که محققان بسیار مشتاق اند آن را پر کنند و در نهایت درک ما از جهان را تکمیل نمایند.
در حال حاضر یک راه حل احتمالی پیشنهاد شده است. طبق نتایج یک تحقیق جدید که توسط محققان موسسه علوم پایه کره جنوبی انجام شده، با یک درگاه جدید، که “درگاه axion تاریک” نامیده می شود می توان روی این فاصله پل زد.
درگاههای میان جهان تاریک و جهان قابل مشاهده فیزیک، همان چیزی هستند که فیزیکدانان نظری به دنبالش می گردند. اما تا کنون، فقط دو نوع درگاه معرفی شده است: درگاههای برداری و درگاههای axion

این درگاه ها بر اساس دو ذره فرضی بخش تاریک که محققان وجود آنها را پیش بینی کرده اند، طراحی شده اند: axion و فوتون تاریک
Axion، ذره بسیار سبکی است که برای حل برخی از مسائل نظری با مدل استاندارد پیشنهاد شده است. فوتون تاریک، مانند فوتون قابل مشاهده ای است که تاریک شده باشد. در علم فیزیک، فوتون را ذره تشکیل دهنده نور مرئی می دانند.
فوتون های تاریک به جای آنکه مثل فوتون های معمول، با بار الکترومغناطیسی برهمکنش داشته باشند، با چیزی به نام بار تاریک هم جفت می شوند. این جفت شدگی توسط ذرات دیگر بخش تاریک انجام می گیرد.
در گذشته، درگاههای axion و برداری برای یافتن شواهد دال بر وجود این دو ذره مورد استفاده قرار می گرفتند، اما در تحقیق جدید نشان داده شده که درگاه axion تاریک، همان قطعه گم شده ی پازل ماست.
ایده اصلی پیشنهاد این درگاه جدید، آن است که یک نوع کوارک سنگین در مدل استاندارد وجود دارد که یک بار تاریک را نیز حمل می کند. این بارها می توانند با فوتون های تاریک برهمکنش داشته باشند.

به گفته تیم تحقیقاتی مذکور، Axionها، فوتون ها و فوتوهای تاریک، همگی می توانند با این کوارک سنگین برهمکنش داشته باشند.
به گفته سرپرست این تیم تحقیقاتی، لی های سانگ، “درگاه axion تاریک، اولین ارتباط بامعنا را میان دو جهان فیزیکی برقرار کرده است. این دو جهان، قبلا به صورت جداگانه مطالعه می شدند”.
“به این ترتیب می توانیم داده هایی که قبلا به دست آمده را مجددا تفسیر کنیم و در جستجوی خود برای پیدا کردن فوتون تاریک و axion ها به موفقیت برسیم”.
این تیم تحقیقاتی تاکنون فقط ایده وجود این درگاه را مطرح کرده و به نحوه عملکرد آن اشاره کرده بود، اما این روزها آزمایش های جدیدی را پیشنهاد می دهند که می توان در آنها با استفاده از این درگاه، یک بار برای همیشه ثابت کرد که آیا axionها و فوتونهای تاریک واقعا وجود دارند یا خیر.
این ایده بسیار جسورانه است، و ما تا زمانی که آزمایش های بیشتری انجام ندهیم، هیچ نشانه ای از صحت یا عدم صحت آن به دست نخواهیم آورد.
حتی زمانی که راهی برای شناسایی بخش تاریک فیزیک پیدا کنیم، فقط نیمی از تصویر جهان را دیده ایم؛ به همین دلیل دانشمندان باید آنقدر روی این ایده کار کنند تا پازل تصویر جهان کامل شود.

پس از محاسبه سیگنال های بیگ بنگ؛ شکار “oscillon” آغاز می شود

فیزیکدان ها موفق شدند سیگنال هایی که در کسری از ثانیه بعد از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) ساطع گردید را محاسبه نمایند.

گویا آی تی – برای اولین بار، فیزیکدانان نظری موفق شدند فرکانس دقیق سیگنالهای امواج گرانشی خاصی که در کسری از ثانیه بعد از انفجار بزرگ پدید آمدند را محاسبه کنند.
در مورد فرکانس بوزون هیگز نیز وضعیت مشابهی پیش آمد، یعنی دانشمندان قبل از شناسایی خود این بوزون ها فرکانس آنها را تشخیص دادند. این بدان معناست که دانشمندان اکنون می توانند ردیابی سیگنال های پدیده های کیهانی که مدت هاست به وجود آمده اند، یعنی “oscillons” را آغاز کنند. این کار به آنها کمک می کند بیش از هر زمان دیگری به عقب برگردند و فرآیند شکل گیری جهان را مطالعه نمایند.

وجود امواج کیهانی، در سال ۱۹۱۶ توسط اینشتین پیش بینی شده بود، اما تا همین سال گذشته وجود آنها مورد تایید دانشمندان قرار نگرفت.
این امواج، با همه امواج دیگری که از فضا سرچشمه می گیرند، متفاوت هستند. آنها راه کاملا جدیدی برای مطالعه جهان پیش روی ما قرار می دهند.
مادامی که امواج گرانشی در جهان جاری هستند، پیوستار فضا – زمان را می کِشند و هندسه خود فضا را تغییر می دهند.
پیش بینی می شود همه جرم های شتابدار، امواج گرانشی از خود ساطع کنند، اما این امواج را به سختی می توان شناسایی کرد. تا کنون فقط توانسته ایم امواج ساطع شده از منابع بسیار عظیم، مانند امواج حاصل از ادغام دو سیاه چاله بسیار بزرگ را شناسایی کنیم.
اما هر چه ابزارهای حساستری بسازیم، بهتر می توانیم به امواج گرانشی “گوش دهیم” و از آنها برای دریافتن چیزهای بیشتر در مورد تولد جهان استفاده کنیم.
اگر بدانیم به دنبال چه چیزی هستیم، این امر امکان پذیر است.

برای آنکه به دانشمندان بگوییم در میان همه سر و صداهای موجود در جهان دقیقا باید به دنبال چه صدایی باشند، گروهی از فیزیکدانان نظری از دانشگاه بازل سوئیس، چیزی که “زمینه تصادفی امواج گرانشی” نامیده می شود را مورد مطالعه قرار دادند. زمینه تصادفی امواج گرانشی، شدت و فرکانس طیفی از امواج گرانشی است که احتمالا بعد از انفجار بزرگ ساطع شده اند.
ایده اصلی آن است که، وقتی بتوانیم تعداد کمی سیگنال را شکار کنیم، برای تایید اینکه آیا آنها واقعا وجود دارند یا خیر، روی این چند سگنال آزمایش های تجربی انجام دهیم.
امواج گرانشی حاصل از انفجار بزرگ، چه شکلی هستند؟
برای پاسخ به این سوال، باید بدانیم در اولین لحظات تولد جهان چه اتفاقی افتاده است.
فقط در کسری از ثانیه بعد از وقوع انفجار بزرگ، هر چیزی که در جهان وجود داشت هنوز بسیار کوچک و متراکم بود. سرپرست این تیم تحقیقاتی، یعنی استفان انتوش می گوید “در آن لحظه کل جهان را می شد در یک زمین فوتبال جای داد”.
این جهان فوق العاده کوچک، فقط در یک بازه زمانی بسیار کوتاه در این حالت بود. فیزیکدانان معتقدند در آن زمان بسیار کوتاه، جهان تحت تسلط یک ذره فرضی به نام اینفلاتون (inflaton) بوده است.

این اینفلاتون ها، تحت نوسانات شدید بودند و گاهی توده هایی را شکل می داند که باعث می شد در یک ناحیه محدود از فضا نوسان کنند.
اینگونه نواحی را oscillon می نامند. محققان نشان داده اند که امواج گرانشی ساطع شده از این نواحی به اندازه ای قوی بوده، که ما هنوز هم می توانیم آنها را در فضا پیدا کنیم.
انتوش می گوید “هر چند oscillon ها مدت ها قبل به وجود آمده اند و فرآیند پدیدار شدن آنها میلیون ها سال پیش متوقف شده، اما امواج گرانشی که از آنها به وجود آمده، در حال حاضر همه جا وجود دارند. با استفاده از این امواج می توانیم بیش از هر زمان دیگری به عقب برگردیم و فرآیند شکل گیری جهان را مطالعه کنیم”.
این تیم تحقیقاتی با استفاده از شبیه سازی های عددی توانسته شکل دقیق سیگنال oscillon را شبیه سازی کند. این سیگنال در یک طیف گسترده از زمینه تصادفی امواج گرانشی، دارای یک نقطه اوج مجزا می باشد.

اگر بخواهیم اولین لحظات تولد جهان را بهتر مورد مطالعه قرار دهیم، پرداختن به این نقاط اوج روش خوبی است.
انتوش می گوید “پیش از انجام این محاسبات، فکر نمی کردیم که oscillon ها چنین سیگنالهای قدرتمندی را با این فرکانس خاص تولید کرده باشند”.
البته این محاسبات، بخش نسبتا ساده تحقیقات ما هستند. در حال حاضر، فیزیکدانان تجربی باید سیگنالهای پیش بینی شده را بردارند و تلاش کنند با استفاده از آشکارسازهای امواج گرانشی مانند LIGO، آنها را شناسایی نمایند.

سیگنال های قدرتمند زیادی وجود داشته اند که ابتدا توسط فیزیکدانان نظری محاسبه شدند و سپس با آزمایش های مختلف وجود آنها تایید شده است. این فرآیند، درک ما از جهان را برای همیشه تغییر داد (مانند اتفاقی که در مورد بوزون هیگز افتاد).
ما هنوز در آغاز راه مطالعه فیزیک امواج گرانشی هستیم.
نتایج این تحقیق در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.

پس از محاسبه سیگنال های بیگ بنگ؛ شکار “oscillon” آغاز می شود

فیزیکدان ها موفق شدند سیگنال هایی که در کسری از ثانیه بعد از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) ساطع گردید را محاسبه نمایند.

گویا آی تی – برای اولین بار، فیزیکدانان نظری موفق شدند فرکانس دقیق سیگنالهای امواج گرانشی خاصی که در کسری از ثانیه بعد از انفجار بزرگ پدید آمدند را محاسبه کنند.
در مورد فرکانس بوزون هیگز نیز وضعیت مشابهی پیش آمد، یعنی دانشمندان قبل از شناسایی خود این بوزون ها فرکانس آنها را تشخیص دادند. این بدان معناست که دانشمندان اکنون می توانند ردیابی سیگنال های پدیده های کیهانی که مدت هاست به وجود آمده اند، یعنی “oscillons” را آغاز کنند. این کار به آنها کمک می کند بیش از هر زمان دیگری به عقب برگردند و فرآیند شکل گیری جهان را مطالعه نمایند.

وجود امواج کیهانی، در سال ۱۹۱۶ توسط اینشتین پیش بینی شده بود، اما تا همین سال گذشته وجود آنها مورد تایید دانشمندان قرار نگرفت.
این امواج، با همه امواج دیگری که از فضا سرچشمه می گیرند، متفاوت هستند. آنها راه کاملا جدیدی برای مطالعه جهان پیش روی ما قرار می دهند.
مادامی که امواج گرانشی در جهان جاری هستند، پیوستار فضا – زمان را می کِشند و هندسه خود فضا را تغییر می دهند.
پیش بینی می شود همه جرم های شتابدار، امواج گرانشی از خود ساطع کنند، اما این امواج را به سختی می توان شناسایی کرد. تا کنون فقط توانسته ایم امواج ساطع شده از منابع بسیار عظیم، مانند امواج حاصل از ادغام دو سیاه چاله بسیار بزرگ را شناسایی کنیم.
اما هر چه ابزارهای حساستری بسازیم، بهتر می توانیم به امواج گرانشی “گوش دهیم” و از آنها برای دریافتن چیزهای بیشتر در مورد تولد جهان استفاده کنیم.
اگر بدانیم به دنبال چه چیزی هستیم، این امر امکان پذیر است.

برای آنکه به دانشمندان بگوییم در میان همه سر و صداهای موجود در جهان دقیقا باید به دنبال چه صدایی باشند، گروهی از فیزیکدانان نظری از دانشگاه بازل سوئیس، چیزی که “زمینه تصادفی امواج گرانشی” نامیده می شود را مورد مطالعه قرار دادند. زمینه تصادفی امواج گرانشی، شدت و فرکانس طیفی از امواج گرانشی است که احتمالا بعد از انفجار بزرگ ساطع شده اند.
ایده اصلی آن است که، وقتی بتوانیم تعداد کمی سیگنال را شکار کنیم، برای تایید اینکه آیا آنها واقعا وجود دارند یا خیر، روی این چند سگنال آزمایش های تجربی انجام دهیم.
امواج گرانشی حاصل از انفجار بزرگ، چه شکلی هستند؟
برای پاسخ به این سوال، باید بدانیم در اولین لحظات تولد جهان چه اتفاقی افتاده است.
فقط در کسری از ثانیه بعد از وقوع انفجار بزرگ، هر چیزی که در جهان وجود داشت هنوز بسیار کوچک و متراکم بود. سرپرست این تیم تحقیقاتی، یعنی استفان انتوش می گوید “در آن لحظه کل جهان را می شد در یک زمین فوتبال جای داد”.
این جهان فوق العاده کوچک، فقط در یک بازه زمانی بسیار کوتاه در این حالت بود. فیزیکدانان معتقدند در آن زمان بسیار کوتاه، جهان تحت تسلط یک ذره فرضی به نام اینفلاتون (inflaton) بوده است.

این اینفلاتون ها، تحت نوسانات شدید بودند و گاهی توده هایی را شکل می داند که باعث می شد در یک ناحیه محدود از فضا نوسان کنند.
اینگونه نواحی را oscillon می نامند. محققان نشان داده اند که امواج گرانشی ساطع شده از این نواحی به اندازه ای قوی بوده، که ما هنوز هم می توانیم آنها را در فضا پیدا کنیم.
انتوش می گوید “هر چند oscillon ها مدت ها قبل به وجود آمده اند و فرآیند پدیدار شدن آنها میلیون ها سال پیش متوقف شده، اما امواج گرانشی که از آنها به وجود آمده، در حال حاضر همه جا وجود دارند. با استفاده از این امواج می توانیم بیش از هر زمان دیگری به عقب برگردیم و فرآیند شکل گیری جهان را مطالعه کنیم”.
این تیم تحقیقاتی با استفاده از شبیه سازی های عددی توانسته شکل دقیق سیگنال oscillon را شبیه سازی کند. این سیگنال در یک طیف گسترده از زمینه تصادفی امواج گرانشی، دارای یک نقطه اوج مجزا می باشد.

اگر بخواهیم اولین لحظات تولد جهان را بهتر مورد مطالعه قرار دهیم، پرداختن به این نقاط اوج روش خوبی است.
انتوش می گوید “پیش از انجام این محاسبات، فکر نمی کردیم که oscillon ها چنین سیگنالهای قدرتمندی را با این فرکانس خاص تولید کرده باشند”.
البته این محاسبات، بخش نسبتا ساده تحقیقات ما هستند. در حال حاضر، فیزیکدانان تجربی باید سیگنالهای پیش بینی شده را بردارند و تلاش کنند با استفاده از آشکارسازهای امواج گرانشی مانند LIGO، آنها را شناسایی نمایند.

سیگنال های قدرتمند زیادی وجود داشته اند که ابتدا توسط فیزیکدانان نظری محاسبه شدند و سپس با آزمایش های مختلف وجود آنها تایید شده است. این فرآیند، درک ما از جهان را برای همیشه تغییر داد (مانند اتفاقی که در مورد بوزون هیگز افتاد).
ما هنوز در آغاز راه مطالعه فیزیک امواج گرانشی هستیم.
نتایج این تحقیق در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.