آکسیون، ذره رازآلودی که ممکن است معما‌های ماده تاریک را حل کند
ذره آکسیون (Axion) یک ذره فرضی در فیزیک ذرات است که اولین بار در دهه ۱۹۷۰ مطرح شد تا یک مشکل مهم در نظریه تعاملات قوی (QCD)، شاخه‌ای از فیزیک که به برهمکنش‌های کوارک‌ها و گلوئون‌ها می‌پردازد، حل شود. این ذره دارای جرم بسیار کم، بدون بار الکتریکی و تنها به‌ندرت با ماده عادی تعامل دارد. به همین دلیل، تشخیص آن بسیار دشوار است.
اما این خواص دقیقا همان چیزی هستند که آکسیون را به یک نامزد مناسب برای ماده تاریک تبدیل می‌کند ، چیزی که حدود ۲۷ درصد از جهان ما را تشکیل می‌دهد، اما هنوز هویت واقعی‌اش ناشناخته است.
چرا ماده تاریک مهم است؟
مشاهدات فراوان ستاره‌شناسی نشان می‌دهند که چیزی در کیهان وجود دارد که بر گرانش تأثیر می‌گذارد، اما نور نمی‌تاباند. این موضوع از طریق اندازه‌گیری‌هایی مانند: حرکت ستاره‌ها در کهکشان‌ها، لنز‌های گرانشی، نوسانات زمینه تابشی میکروویو کیهانی (CMB)، به خوبی تأیید شده است. هیچ توضیح منطقی برای تمام این داده‌ها وجود ندارد مگر اینکه یک نوع ماده نامرئی وجود داشته باشد.
سقوط WIMP و صعود آکسیون
در دهه‌های گذشته، بیشتر محققان بر این باور بودند که ماده تاریک از ذرات سنگین کم‌تعامل (WIMP) ساخته شده است. این ذرات در چارچوب توسعه‌هایی از مدل استاندارد فیزیک ذرات پیش‌بینی شده بودند و به نظر می‌رسید تطبیق خوبی با داده‌های مشاهداتی دارند.
اما بعد از دهه‌ها جست‌و‌جو و آزمایش‌هایی با نام‌های معروفی مثل XENON، CRESST و SNOLAB، هیچ شواهد قطعی از وجود WIMP یافت نشد. به مرور زمان، بسیاری از محدوده‌های جرمی و تعاملی این ذره رد شدند.
این شکست WIMPها به دانشمندان فرصت داد تا دوباره به گزینه‌های قدیمی‌تر نگاه کنند — یکی از آنها همین آکسیون بود.
آکسیون: ذره‌ای با دو هدف
اولین هدف آکسیون، حل یک مشکل نظری در فیزیک ذرات بود: چرا تقارن CP (تقارن بار-فضا) در تعاملات قوی حفظ می‌شود؟ فیزیکدانان رابرت پچی و هلن کوین با معرفی یک میدان جدید، این مشکل را حل کردند. نتیجه این کار، پیش‌بینی یک ذره جدید بود که فرانک ویلچِک بعداً آن را «آکسیون» نامید.
اما به زودی مشخص شد که آکسیون می‌تواند نقش بزرگ‌تری در کیهان ایفا کند: با توجه به نحوه تولیدش در لحظات اولیه انفجار بزرگ، مقدار زیادی از این ذره در کیهان می‌توانست باقی بماند؛ و به دلیل عدم تعاملش با نور، این ذره به عنوان یک گزینه برجسته برای ماده تاریک شناخته شد.
آکسیون‌های ابرسبک، متفاوت از همه چیز
جرم آکسیون می‌تواند تا یک تریلیونیوم الکترون‌ولت (eV) یا حتی کمتر باشد، این عددی است که در مقایسه با ذراتی مثل الکترون یا نیوترونی که میلیون‌ها بار سنگین‌تر هستند، بی‌نهایت کوچک است.
این جرم فوق‌العاده کم باعث می‌شود آکسیون‌ها رفتاری کاملا متفاوت از سایر ذرات داشته باشند. موج کوانتومی آنها می‌تواند به اندازه یک ستاره یا حتی یک کهکشان گسترده شود.
در عمل، آکسیون‌ها می‌توانند به صورت یک مایع کوانتومی غول‌پیکر یا حتی یک کوندنسه بوز-اینشتین (Bose-Einstein condensate) ظاهر شوند، یعنی وضعیتی از ماده که در آن ذرات به یک واحد کوانتومی واحد تبدیل می‌شوند.
این ویژگی‌ها به آنها اجازه می‌دهد تا مشکلاتی را که نظریه‌های قبلی درباره ماده تاریک داشتند، برطرف کنند. برای مثال، شبیه‌سازی‌های ماده تاریک سنتی (مثل WIMP) پیش‌بینی می‌کنند که هسته کهکشان‌ها باید بسیار متراکم باشند، اما مشاهدات این موضوع را تأیید نمی‌کنند. آکسیون‌ها می‌توانند با ایجاد توزیع یکنواخت‌تری از ماده، این ناهماهنگی را حل کنند.
جستجوی آکسیون؛ چگونه دنبالش می‌کنیم؟
به گزارش arstechnica، با توجه به اینکه آکسیون‌ها با نور تعامل ضعیفی دارند، یکی از روش‌های شناسایی آنها، تبدیل آنها به فوتون (نور) در حضور میدان‌های مغناطیسی قوی است. این خاصیت باعث شده که مکان‌هایی مانند: هسته ستاره‌های نوترونی، هاله خورشیدی، یا حتی آزمایشگاه‌های زمینی با مغناطیس بسیار بالا به نقاط اصلی جستجوی آکسیون تبدیل شوند.
همچنین، تلسکوپ‌های فضایی مانند جیمز وب قادر به تشخیص نور اضافی حاصل از تبدیل آکسیون‌ها به فوتون در فواصل دور هستند. این امر امید‌های دانشمندان را برای یافتن اولین شواهد از وجود این ذره بالا برده است.
هنوز هیچ! اما امید زنده است
تاکنون هیچ شواهد قطعی از وجود آکسیون یافت نشده است. اما این به معنای شکست نیست. بلکه آزمایش‌های مختلف فقط محدوده‌های ممکن برای جرم و تعامل آکسیون را تنگ‌تر کرده‌اند. هنوز فضای زیادی برای وجود چنین ذره‌ای وجود دارد.
همانطور که فرانک ویلچک گفته است: «ما در یک جهان زندگی می‌کنیم که پر از ستاره‌های تاریک، کوندنسه‌های نامرئی و ذرات جدید است.»
آکسیون یکی از جذاب‌ترین گزینه‌های موجود برای توضیح ماهیت ماده تاریک است. این ذره نه تنها می‌تواند یکی از بزرگ‌ترین معما‌های فیزیک ذرات را حل کند، بلکه می‌تواند به ما کمک کند تا تصویر بهتری از ساختار کیهان در اوایل پیدایش آن داشته باشیم. با وجود اینکه هنوز یافته‌ای قطعی وجود ندارد، جستجوی آکسیون به عنوان یکی از مهم‌ترین مسیر‌های تحقیقاتی فیزیک و کیهان‌شناسی قرن بیست و یکم باقی مانده است.
انتهای پیام/
