فاز راه‌اندازی حساس‌ترین آشکارساز ماده‌ی تاریک کامل شد
یک آشکارساز ماده‌ی تاریک نسل بعدی، عملیات خود را آغاز کرده است و ارائه‌ی اولین نتایج آن نشان می‌دهد این ابزار علمی حساس‌ترین دستگاه از این نوع روی زمین است.
این ابزار علمی می‌تواند با شناسایی مستقیم ذرات تشکیل‌دهنده‌ی ماده‌ی تاریک برای نخستین بار، یکی از بزرگ‌ترین اسرار فیزیک یعنی ماهیت ماده‌ی تاریک را آشکار کند.
آزمایش «لوکس-زپلین» (LUX-ZEPLIN) یا LZ در اعماق زمین زیر تپه‌های سیاه داکوتای جنوبی، که توسط تیمی از ۲۵۰ دانشمند به سرپرستی آزمایشگاه ملی لارنس برکلی انجام می‌شود، مرحله‌ی بررسی آغازین شروع خود را با موفقیت گذراند.
آشکارساز LZ از دسامبر ۲۰۲۱ (آذر ۱۴۰۰) راه‌اندازی شده است و این اولین نتایج نشان‌دهنده‌ی ۶۰ روز اول فعالیت آن است. «کوین لسکو» (Kevin Lesko) فیزیکدان ارشد آزمایشگاه برکلی و سخنگوی سابق LZ گفت: «ما آماده‌ایم و همه چیز خوب به‌نظر می‌رسد. این یک آشکارساز پیچیده است که قطعات زیادی در آن وجود دارد و همه‌ی آن‌ها در حد انتظار عمل می‌کنند.»
ماده‌ی تاریک حدود ۸۵ درصد از ماده‌ی موجود در جهان شناخته شده را تشکیل می‌دهد، اما چون نوری از خود ساطع نمی‌کند، عملا نامرئی است. به همین ترتیب، ذرات تشکیل‌دهنده‌ی ماده تاریک، هر چه که باشند، با مواد دیگر هم برهم‌کنش قوی ندارند.
در حقیقت تنها راهی که دانشمندان می‌توانند وجود ماده‌ی تاریک را درک کنند، توسط اثر گرانشی آن است که بیشتر کهکشان‌ها را منسجم حفظ و از جدا شدن ستاره‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن‌ها هنگام چرخش جلوگیری می‌کند.
بر این اساس محققان می‌دانند که ماده‌ی تاریک از پروتون‌ها و نوترون‌هایی مانند ماده‌ی عادی (یا ماده‌ی باریونی) که هر روز در اطراف خود می‌بینیم، تشکیل نشده است.
آشکارساز LUX-ZEPLIN برای جست‌وجوی ویژه‌ی نوع فرضی ماده‌ی تاریک به نام «ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف» (Weakly Interacting Massive Particles) یا «ویمپ» (WIMP) تنظیم شده است. انتظار می‌رود که این ذرات به‌ندرت با ماده برخورد کنند و در صورت برخورد، برهم‌کنش بسیار ضعیفی داشته باشند.
طرحی گرافیکی از یک کهکشان که با هاله‌ی ماده‌ی تاریک دربر گرفته شده است.
Credit:
در حال حاضر هیچ ذره ای از ماده تاریک به طور مستقیم شناسایی نشده است، اما دانشمندان امیدوارند که آشکارساز LZ بتواند با شناسایی برهم‌کنش های ضعیف این ذرات مرموز با اتم های زنون، آن را تغییر دهد. این به یک آشکارساز حساس با حذف تمام نویزهای ممکن که می تواند در تشخیص اختلال ایجاد کند نیاز دارد.
در آزمایش LZ ده تن عنصر زنون مایع در دو مخزن تیتانیوم تودرتو جای گرفته است. این مخازن توسط دو «لامپ فوتوفزون‌گر» (PMT) که قادر به تشخیص منابع ضعیف نور هستند، پایش می‌شوند. مخازن و آشکارسازهای همراه آن‌ها هم در یک سامانه‌ی تشخیصی بزرگ‌تر قرار دارند که می‌تواند هر ذره‌ای را که رفتار سیگنال ماده‌ی تاریک را تقلید کند بگیرد و آن را از گزینه‌های جست‌وجو برای ماده‌ی تاریک واقعی حذف کند.
برای شناسایی این فعل‌وانفعالات ضعیف، مخازن زنون باید در دمای منفی منفی ۱۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد نگهداری شوند. علاوه بر این، تیم LZ باید تمام تشعشعات طبیعی پس‌زمینه را از آشکارساز حذف کند. به همین دلیل یک مخزن آب، مجموعه‌ی این ابزارهای علمی را از تشعشعات طبیعی گسیل شده از دیواره‌های آزمایشگاه محافظت می‌کند.
مکان زیرزمینی آشکارساز ماده‌ی تاریک هم باعث محافظت از آن در برابر پروتون‌های پرانرژی و هسته‌های اتمی که از خورشید و فراتر از منظومه‌ی شمسی از پرتوهای کیهانی سرچشمه می‌گیرند و تقریبا با سرعت نور در فضا حرکت می‌کنند، می‌شود.
هم‌اکنون این آزمایش در مراحل آغازین به‌سر می‌برد و حساسیت آشکارساز LZ در ۱۰۰۰ روز آینده بیشتر هم افزایش خواهد یافت. «هیو لیپینکات» سخنگوی LZ از دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا گفت: «قصد داریم در سال‌های آینده حدود ۲۰ برابر داده‌های بیشتری جمع‌آوری کنیم، بنابراین تازه در حال شروع هستیم.»
به گفته‌ی او «کارهای علمی زیادی باید انجام شود و این بسیار هیجان‌انگیز است!»
عکس کاور: آشکارساز بیرونی LZ
Credit: Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility
منبع: Space
