نخستین دستگاهی که ماده تاریک را شناسایی میکند
دستگاه ماده تاریک نوریمکانیکی (Optomechanical Dark Matter Instrument به اختصار ODIN) براساس اصل پراکندگی ذرات ماده تاریک بر روی فونونها در یک محفظه اپتومکانیکی عمل میکند؛ این ابزار به دانشمندان این امکان را میدهد تا به طور مستقیم ماده تاریک با جرم کم را شناسایی کنند.
فونونها تحریکات جمعی در یک آرایش دورهای از اتمها یا مولکولها در ماده متراکم، به ویژه در جامدات و برخی مایعات هستند؛ این اصطلاح به نوعی به عنوان ذرهای از گرما در نظر گرفته میشود و در رفتار گرما و صدا در مواد اهمیت دارد؛ همچنین، محیط اپتومکانیکی به فضای تحقیقاتی اشاره دارد که تعامل بین نور و حرکت مکانیکی را بررسی میکند.
ماکسیم گوریاچف (Maxim Goryachev)، یکی از محققان و فیزیکدانان دانشگاه وسترن (Western University) استرالیا میگوید: «متاسفانه جرمهای پایینتر نشاندهنده سیگنالهای ضعیفتر هستند و ابزارهای سنتی فیزیک ذرات را نامناسب میسازند.»
اودین، اصول اپتومکانیک را با خواص هلیوم ابرسیال ترکیب میکند؛ در حالی که اولی علم ساخت دستگاههای نوری است، دومی حالت منحصر به فردی از هلیوم میباشد که در دماهای بسیار پایین رخ میدهد.
سامانههای اپتومکانیکی امکان مطالعه و کنترل اثرات کوانتومی در حرکت اشیا ماکروسکوپی را فراهم میکنند و هلیوم فوقالعاده که در دماهای بسیار پایین ایجاد میشود، به دلیل خواص خاص خود در این زمینه مورد استفاده قرار میگیرد.
هلیوم در حالت ابرمایع خود ویژگیهای فوقالعادهای از جمله عدم ویسکوزیته صفر (چگالی صفر) را نشان میدهد که به آن اجازه میدهد بدون اصطکاک جریان یابد؛ این ویژگی نه تنها به آن امکان میدهد از روی هر گونه چال یا مانع عبور کند، بلکه باعث میشود هیچ انرژی حرکتی در این فرآیند از دست نرود.
چگالی صفر به ویژگی سیالی اشاره دارد که بدون هیچ گونه مقاومتی به جریان ادامه میدهد؛ این نوع سیال که در برخی سوپرسیالات مشاهده میشود، قادر است بدون از دست دادن انرژی جنبشی حرکت کند.
گرفتن ماده تاریک با ارتعاشات و هلیوم
اثرات ناشی از برهمکنش ذرات ماده تاریک با هلیوم سوپرسیال در یک محفظه اپتومکانیکی، منجر به ایجاد لرزشها یا فونونهای کوچک میشود. با ورود ذرات ماده تاریک و برخورد آنها با هلیوم، این انرژی تبدیل به نوسانات مکانیکی میشود که به عنوان زنگ مکانیکی شناخته میشود.
اودین بر این اصل کار میکند که ذرات ماده تاریک، فونونها را در یک حفره اپتومکانیکی پراکنده میکنند؛ نویسندگان این مطالعه خاطرنشان میکنند: «ما با استفاده از نظریه میدان موثر، سرعت پراکندگی ماده تاریک از فونونها را در حالت آکوستیک بسیار پرجمعیت محاسبه میکنیم.»
وقتی ماده تاریک با این امواج صوتی برخورد میکند، موج صوتی جدیدی در حالت کمصداتر ایجاد میشود که میتوان آن را به نور (فونون) با استفاده از لیزر تبدیل کرد. این فرآیند میتواند به ما کمک کند تا ویژگیهای ماده تاریک را بهتر درک کنیم؛ زیرا ماده تاریک از حرکت و نوسانات آنها تاثیر میپذیرد.
این نور به راحتی قابل تشخیص است و در نهایت به دانشمندان اجازه میدهد تا حضور ماده تاریک با جرم بسیار کم را تشخیص دهند. نویسندگان این مطالعه تصریح میکنند: «ما محدودیتهای پیشبینی شده در برهمکنشهای ماده تاریک و نوکلئون را برای تودههای ماده تاریک از ۰.۵ تا ۳۰۰ کیلو الکترون ولت (keV) محاسبه میکنیم.»
تشخیص ماده تاریک در مقیاس کیلو الکترون ولت اهمیت زیادی دارد؛ زیرا طیف احتمالی ذرات ماده تاریک را بررسی میکند که سبکتر هستند و در مقایسه با نامزدهای سنگینتری مانند ذرات عظیم با تعامل ضعیف (WIMP) رفتار میکنند.
این روش میتواند به دانشمندان کمک کند تا وجود نوترینوهای استریل را تایید کنند؛ زیرا این ذرات بهطور مستقیم قابلتشخیص نیستند و هیچگونه دستگاهی برای کشف آنها در حال حاضر وجود ندارد. با این حال، شواهدی در مورد وجود آنها وجود دارد، هرچند که تاکنون موفق به ایجاد شواهد واضح یا کشف قطعی نشدهاند.
اودین به تشخیص ماده تاریک محدود نمیشود
در حال حاضر، تشخیص ماده تاریک به آزمایشگاههای تخصصی با تجهیزات گرانقیمت نیاز دارد؛ این در حالی است که اودین ظرفیت غلبه بر این محدودیتها را دارد.
حساسیت سامانه اودین عمدتا به چگالی فونون وابسته است و نه حجم هدف؛ این ویژگی به گفته نویسندگان مطالعه، میتواند امکان ساخت آشکارسازهای فشرده و کمهزینه را فراهم کند که قابلیت شناسایی ماده تاریک را با استفاده از تخلیه دورهای یک حالت فونون داشته باشند.
طراحی پیشنهادی دستگاه تنها یک حفره اپتومکانیکی دارد؛ در حالی که ابزارهایی با چند حفره میتوانند نتایج جالبتری ارائه دهند؛ زیرا میتوانند تعاملات پیچیدهتری را بین نور و ساختار ماده فراهم کنند. استفاده از الگوهای حفرهای میتواند به بهبود عملکرد و افزایش قابلیتهای اپتومکانیکی کمک کند.
به عنوان مثال، اودین علاوه بر شناسایی کاندیدهای مختلف ماده تاریک میتواند در آینده برای تشخیص امواج گرانشی نیز استفاده شود.
نکته مهمی که باید در نظر گرفت این است که مطالعه کنونی فقط چارچوب نظری اودین را توضیح میدهد و چگونگی عملکرد آن را با استفاده از اپتومکانیک و تعاملات فونون توصیف میکن، و به این نکته اشاره نمیکند که آیا دستگاه در حال ساخت میباشد یا در حال حاضر این پروژه در مرحله آزمایش قرار دارد.