فیزیکدانان با کمک هوش مصنوعی و توسعه فناوری «تله دوربینی» به دنبال شکار ماده تاریک گریزان هستند که احتمالا تابستان ۲۰۲۴، راهاندازی نمونه اولیه این دستگاه عملیاتی خواهد شد؛ ماده تاریک، نامرئی و پنج برابر مواد مرئی است که کشش گرانشی آن کهکشانها را شکل میدهد. دانشمندان میدانند که ماده تاریک وجود دارد، اما نمیدانند دقیقا چیست؛ بنابراین از برخورددهنده بزرگ هادرونی و الگوریتم جدید هوش مصنوعی برای درک ماهیت مرموز و نامرئی ماده تاریک استفاده خواهند کرد.
ماده تاریک چیست؟
ماده تاریک (Dark Matter)، فرضیه وجود گونهای از ماده در اخترشناسی و کیهانشناسی است تا پدیدههایی را توضیح دهد که به نظر میرسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم نامرئی هستند و از جرم موجود مشاهده شده در جهان بیشتر میباشند.
ماده تاریک از این جهت که به طور مستقیم با استفاده از تلسکوپ قابل مشاهده نیست، «تاریک» نامیده میشود؛ این ماده ظاهرا هیچ کنشی با میدان الکترومغناطیسی ندارد؛ یعنی تشعشعات الکترومغناطیسی مانند نور از خود منتشر نمیکند، آن را بازتاب نمیدهد و جذب نیز نمیکند؛ بنابراین قابل دیدن نیست؛ ماده تاریک واکنشی نسبت به نور نشان نمیدهد، اما وجود و ویژگیهای آن را میتوان به طور غیرمستقیم از طریق تاثیرات گرانشی آن بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار بزرگ مقیاس جهان تشخیص داد.
طبق دادههای به دست آمده در سال ۲۰۱۳ و بر پایه مدل استاندارد کیهانشناسی، کل جرم-انرژی موجود در جهان شناخته شده شامل ۴.۹ درصد ماده معمولی، ۲۶.۸ درصد ماده تاریک و ۶۸.۳ درصد انرژی تاریک است؛ یعنی انرژی و ماده تاریک روی هم رفته ۹۵.۱ درصد از کل محتویات جهان را تشکیل میدهند.
برخورددهنده بزرگ هادرونی
آشوتوش کوتوال (Ashutosh Kotwal)، فیزیکدان دانشگاه دوک (Duke University) آمریکا و تیمش در حال کار بر روی یک دستگاه سیلیکونی هستند که به عنوان یک تله دوربین (Camera Trap) عمل میکند و سرنخهایی از ماده تاریک را به دست میآورد.
هسته این تراشه یک الگوریتم پیشرفته دارد که قادر است به سرعت، مقادیر زیادی از دادههای بصری تولید شده توسط «برخورددهنده بزرگ هادرونی» (Large Hadron Collider) را غربال کند؛ برخورددهنده یا شتابدهنده هادرونی بزرگترین دستگاه ساخت دست بشر در یک تونل زیرزمینی در مرز فرانسه با سوئیس است که ذراتی مانند پروتون را با سرعتی نزدیک به نور شتاب میدهد تا ذرات با یکدیگر برخورد کنند.
کوتوال میگوید: «وظیفه ما این است تا اطمینان حاصل کنیم که اگر تولید ماده تاریک اتفاق بیفتد، فناوری ما برای به دست آوردن آن در عمل ناتوان نباشد.»
ماده تاریک گریزان
در برخورددهنده بزرگ هادرونی، پروتونها قبل از برخورد با نیرویی غیرقابل تصور، تقریبا به سرعت نور شتاب میگیرند که شرایطی مثل مهبانگ یا بیگ بنگ (Big Bang) را بازسازی میکند؛ پیامد این برخوردها، نمایش خیرهکننده ذرات زیراتمی میباشد که در میان این هرج و مرج ممکن است سرنخهایی در مورد ماده تاریک نیز وجود داشته باشد.
سرنخهای زودگذر
ماده تاریک برای آشکارسازها نامرئی است، اما وجود آن ممکن است از رفتار ذرات دیگر استنباط شود. طبق فرضیه دانشمندان، ناپدید شدن ذرات باردار سنگین ممکن است به حضور ماده تاریک مرتبط باشد. پس از یک برخورد، این ذرات سنگین قبل از ناپدید شدن بدون هیچ ردی در فاصله حدود ۱۰ اینچی حرکت میکنند و احتمالا به ماده تاریک تبدیل میشوند.
مسیرهای ذرات، یک مسیر ناپدید شدن منحصر به فرد را داخل آشکارساز تشکیل میدهند، اما شناسایی این الگوهای گریزان نیازمند تشخیص سریع است و چالش در این راه بسیار زیاد است. در هر ثانیه، میلیونها تصویر تولید میشود و تنها بخش کوچکی از آن ممکن است حاوی شواهدی بر وجود ماده تاریک باشد.
در نتیجه تنها یک میلیونیم ثانیه برای شناسایی ماده تاریک در این واکنشها فرصت است؛ کوتوال میگوید: «اغلب این تصاویر دارای نشانه خاصی نیستند که ما به دنبال آن هستیم. شاید یک در میلیون یکی از آنها دارای نشانهای باشد که ما میخواهیم شناسایی کنیم.»
کوتوال میافزاید: «برای انجام این کار در یک لحظه، ماههای متوالی نیاز به یک تکنیک تشخیص تصویر است تا بتواند حداقل صد برابر سریعتر از هر چیزی که فیزیکدانان ذرات تاکنون قادر به انجام آن بودهاند، اجرا شود. اینجاست که الگوریتم جدید هوش مصنوعی وارد میشود.»
کوتوال و تیمش یک الگوریتم ردیابی مسیر ایجاد کردهاند تا به سرعت نشانههای احتمالی ماده تاریک را در میان دریایی از دادهها قبل از برخورد بعدی شناسایی و علامتگذاری کند. تراشه این تیم دارای چندین پردازنده هوش مصنوعی برای تجزیه و تحلیل دادهها با سرعت فوقالعاده بالا خواهد بود. این سامانه به سرعت تصاویر را در کمتر از ۲۵۰ نانوثانیه پردازش میکند و در عین حال دادههای نامربوط را دور میریزد.