آکسیون‌ها در آستانه کشف؟ آشکارساز «رادیو کیهانی» می‌تواند معمای بزرگ ماده تاریک را حل کند

گروهی از دانشمندان از کینگز کالج لندن، دانشگاه هاروارد، دانشگاه کالیفرنیا و سایر مؤسسات علمی، در مقاله‌ای که در نشریه نیچر منتشر شده، به توضیح شالوده‌ی دستگاه جدیدی پرداخته‌اند که به باور آن‌ها می‌تواند دقیق‌ترین آشکارساز «ماده تاریک» تا به امروز باشد؛ ماده‌ای نامرئی که احتمالاً حدود ۸۵ درصد از جرم کل جهان را تشکیل می‌دهد، اما ماهیت واقعی‌اش هنوز برای دانشمندان ناشناخته است.

«آکسیون‌ها» به عنوان یکی از اصلی‌ترین نامزدها برای توصیف ماده تاریک شناخته می‌شوند. این ذرات دارای جرم ناچیز و برهمکنش ضعیف، ممکن است در جهان وجود داشته باشند و مسئول برخی از اثرات گرانشی در فضا باشند که هنوز توضیحی برایشان وجود ندارد.

تصور می‌شود که آکسیون‌ها فرکانس‌هایی شبیه به امواج دارند، اما دانشمندان هنوز نمی‌دانند که این فرکانس‌ها دقیقاً در کدام بخش از طیف الکترومغناطیسی قرار دارند. به طور کلی، گمان می‌رود که فرکانس آن‌ها از کیلوهرتز که انسان‌ها قادر به شنیدنش هستند، تا فرکانس‌های بسیار بالای تراهرتز متغیر باشد.

در مطالعه اخیر، محققان توضیح می‌دهند که چگونه یک آشکارساز که به آن «رادیوی کیهانی» گفته می‌شود، می‌تواند وقتی فرکانس آکسیون را شناسایی کرد، به دانشمندان اطلاع دهد. این آشکارساز به عنوان «شبه‌ذره آکسیون» (AQ) شناخته می‌شود و تیم تحقیقاتی بر این باور است که می‌تواند در کشف ماده تاریک درطول ۱۵ سال آینده نقش بسزایی ایفا کند.

آشکارساز AQ به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند فرکانس‌هایی را که با آکسیون‌ها همخوانی دارند، به فضا ارسال کند. زمانی که دستگاه موفق شود چنین فرکانسی را شناسایی کند و با آن هماهنگ شود، مقدار بسیار کمی نور ساطع خواهد کرد. AQ در بالاترین فرکانس‌های تراهرتز فعالیت می‌کند و بسیاری از پژوهشگران بر این باورند که این محدوده، بهترین مکان برای جست‌وجوی آکسیون‌ها محسوب می‌شود.

تیم تحقیقاتی باور دارد که با ساخت نمونه‌ای بزرگ‌تر از ماده AQ، می‌تواند در مدت پنج سال یک آشکارساز کاربردی فراهم کند. سپس محققان تخمین می‌زنند که حدود یک دهه دیگر طول می‌کشد تا با بررسی طیف فرکانس‌های بالا که احتمالاً ماده تاریک در آنجا پنهان است، سرانجام یکی از بزرگ‌ترین معماهای دنیای فیزیک را حل کنند.

برای تولید شبه‌ذرات، پژوهشگران از ترکیب شیمیایی «تلورید بیسموت منگنز» (MnBi₂Te₄) استفاده کردند، ماده‌ای که به خاطر ویژگی‌های الکتریکی و مغناطیسی منحصر به فردش شناخته شده است. این ماده به چند لایه دوبعدی نازک برش داده شد و روی هم قرار گرفت.

«جیان-شیانگ کیو»، نویسنده اصلی مطالعه از دانشگاه هاروارد، گفت: «از آنجا که MnBi₂Te₄ به شدت به هوا حساس است، ما نیاز داشتیم آن را به چند لایه اتمی برش دهیم تا خواصش را به دقت تنظیم کنیم. این کار به ما امکان می‌دهد تا این نوع فیزیک جالب را مشاهده کنیم و ببینیم چگونه با دیگر ذرات کوانتومی مانند آکسیون برهمکنش دارد.»

دکتر مارش افزود: «این لحظه واقعاً هیجان‌انگیزی برای پژوهشگران ماده تاریک است. اکنون به اندازه‌ای مقاله درباره آکسیون‌ها منتشر می‌شود که یک سال قبل از کشف «بوزون هیگز» منتشر می‌شد. نظریه‌پردازان در سال ۱۹۸۳ پیشنهاد کردند که آکسیون‌ها مانند یک فرکانس رادیویی عمل می‌کنند و حالا ما می‌دانیم که می‌توانیم به آن گوش دهیم. ما به سرعت درحال نزدیک‌تر شدن به آکسیون هستیم.»