جستجوی “ماده تاریک” در برخورد دهنده‌!

به گزارش انجمن فیزیک ایران، هیچ ایده‌ای وجود ندارد که ماده‌ی تاریک چیست؛ حل این معما مستلزم تلاش برای آشکارسازی مستقیم ذرات ماده‌ی تاریک نخستین است، هنگامی که در نزدیکی زمین جریان می‌یابند. اما شاید امکان تولید این ذرات در برخورد دهنده‌ها نیز فراهم باشد. اکنون گروه همکاری ATLAS از سرن در Physical Review Letters گزارش کرده است که از عدم وجود نوع خاصی از محصول در چنین برخورد دهنده‌ای، برای اعمال قویترین محدودیت‌ها بر برخی از مدل‌های ماده‌ی تاریک استفاده کرده است.

اگر ماده‌ی تاریک شامل ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف (WIMPs) باشد، که با پروتون‌ها و نوترون‌ها جفت می‌شوند، بنابراین این شانس وجود دارد که هسته‌ها را در یکی از جهت‌های آشکارسازهای زیرزمینیِ ماده‌ی تاریک پراکنده کنند. ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف، ذراتی فرضی هستند که تنها از طریق نیروی هسته‌ای ضعیف و گرانش برهمکنش می‌کنند.

هسته‌ها متشکل از پروتون و نوترون هستند که آن‌ها نیز به نوبه‌ی خود از کوارک‌ها تشکیل شده‌اند. فرآیند WIMP + quark′ → WIMP + quarkرا در نظر می‌گیریم . بر طبق نظریه‌ی میدان کوانتومی، احتمالی نیز برای فرایند quark + quark′ → WIMP + WIMP وجود خواهد داشت که می‌تواند در برخورد دهنده اتفاق بیفتد.

اما جفت WIMP قبل از مشاهده ناپدید می‌شوند، بنابراین آشکارسازی آن‌ چگونه است؟ بر طبق این نظریه، رخداد دیگری نیز با احتمال کم می‌تواند به وقوع بپیوندد به این صورت که یکی از کوارک‌ها می‌تواند یک بوزون W یا Z تابش کند، قبل از آنکه به وسیله‌ی کوارک دیگری نابود و به یک جفت WIMP تبدیل شود. گروه ATLAS به دنبال چنین رخدادهایی، داده‌هایی را بدست آورده که با اثرات زمینه‌ی مدل استاندارد مطابقت دارد و هیچ نشانی از WIMP در آن نیست. آن‌ها از این نتایج برای اعمال قیدهایی بر مدل‌های WIMP با برهمکنش‌های وابسته به اسپین استفاده کردند که دقیق‌تر از قیدهای موجود بدست آمده از آزمایش‌های آشکارسازی مستقیم است. این نویدی بر آن است که برخورد دهنده‌ می‌تواند به ابزار مکمل قدرتمندی برای جستجوی ماده‌ی تاریک تبدیل شود.