«ماده تاریک» همان ماده گریزانی که بیشتر جرم کیهان را تشکیل می‌دهد، ممکن است متشکل از ذرات پرجرمی به نام “گراویتون” باشد که در لحظات اولیه پس از بیگ بنگ به وجود آمدند. بر اساس یک نظریه جدید، این ذرات فرضی شاید پناهگاه ماده تاریک در ابعاد اضافی باشند.
به گزارش بیگ بنگ، محاسبات پژوهشگران نشان می‌دهد که ممکن است این ذرات در مقادیر درستی ایجاد شده باشند و بتوانند “ماده تاریک” را توضیح دهند زیرا ماده تاریک فقط از طریق کشش گرانشی‌اش بر روی ماده معمولی قابل بررسی است. یکی از نویسندگان این مطالعه، “جاکومو کاچیاپاگلیا” فیزیکدان دانشگاه لیون در فرانسه، گفت: «گراویتون‌های پرجرم با برخوردهای ذرات معمولی در جهان اولیه تولید می‌شوند. اعتقاد بر این بود که این فرآیند برای گراویتون‌های پرجرم به قدری نادر است که نمی‌توانند داوطلب ماده تاریک باشند.»
اما در یک مطالعه جدید کاچیاپاگلیا، همراه با فیزیکدانان دانشگاه کره، “هینگ کایی” و “سئونگ جی لی”، دریافتند که به اندازۀ کافی از این گراویتون‌ها در جهان اولیه وجود داشته تا تمام ماده تاریکی را که امروزه در کیهان کشف می‌کنیم، توضیح دهند. به گفته محققان اگر گراویتون‌ها وجود داشته باشند، جرم آنها باید کمتر از ۱ مگا الکترون ولت (MeV) باشد، بنابراین جرم آنها بیشتر از دو برابر جرم یک الکترون نیست.
این سطح جرم کمتر از مقیاسی است که بوزون هیگز بتواند جرم ماده معمولی را تولید کند. (برای مقایسه، طبق اعلام موسسه ملی استاندارد و فناوری، سبک‌ترین ذرۀ شناخته شده یعنی نوترینو، دارای جرمی کمتر از ۲ الکترون ولت است، در حالی که یک پروتون دارای وزنی تقریباً برابر با ۹۴۰ مگا الکترون ولت است.) این تیم زمانی که به دنبال شواهدی برای ابعاد اضافی بود، این گراویتون‌های فرضی را کشف کرد؛ برخی از فیزیکدانان گمان می‌کنند که ابعاد اضافی در طول سه بعدِ مشاهده شدۀ فضا و بعد چهارم یعنی زمان قرار دارد.
در نظریه‌ی این تیم، وقتی گرانش در ابعاد اضافی پخش می‌شود، در جهان ما به صورت گراویتون‌های پرجرم ظاهر می‌شود. اما این ذرات فقط از طریق نیروی گرانش، برهمکنش ضعیفی با ماده معمولی دارند. این توصیف به طرز وحشتناکی شبیه چیزی است که ما در مورد ماده تاریک می‌دانیم، که با نور برهمکنش ندارد، اما یک اثر گرانشی دارد که در همه جای کیهان احساس می‌شود. به عنوان مثال، این تأثیر گرانشی چیزی است که از دور شدن کهکشان‌ها جلوگیری می‌کند.
“کاچیاپاگلیا” می‌گوید: «مزیت اصلی گراویتون‌های پرجرم به‌عنوان ذرات ماده تاریک این است که آنها فقط به صورت گرانشی برهمکنش دارند، بنابراین می‌توانند از هرگونه تلاشی برای تشخیص حضور خود فرار کنند.» در مقابل، سایر داوطلب‌های ماده تاریک – مانند ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف، آکسیون‌ها و نوترینوها – ممکن است به دلیل برهمکنش بسیار ظریفشان با نیروها و میدان‌های دیگر احساس شوند. این واقعیت که گراویتون‌های پرجرم به ندرت از طریق گرانش با سایر ذرات و نیروهای موجود در کیهان برهمکنش می‌کنند، مزیت دیگری را ارائه می‌دهد.
“کاچیاپاگلیا” گفت: «گراویتون‌ها به دلیل برهمکنش‌های بسیار ضعیفی که دارند، به آرامی تجزیه می‌شوند و تا پایان عمر کیهان پایدار می‌مانند.» فیزیکدانان در گذشته تصور می‌کردند که بعید است گراویتون‌ها داوطلب “ماده تاریک” باشند، زیرا فرآیند شکل‌گیری آنها بسیار نادر است. در نتیجه، گراویتون‌ها با سرعت بسیار کمتری نسبت به ذرات دیگر ایجاد می‌شوند.
اما دانشمندان دریافتند که در یک پیکوثانیه (تریلیونم ثانیه) پس از بیگ بنگ، تعداد بیشتری از این گراویتون‌ها نسبت به نظریه‌های گذشته ایجاد می‌شدند. این مطالعه نشان داد که این پیشرفت برای گراویتون‌های پرجرم کافی بود تا بتوانند میزان ماده تاریک در کیهان را توضیح دهند.
“کاچیاپاگلیا” افزود: «این پیشرفت عجیب بود. ما مجبور شدیم بررسی‌های زیادی را انجام دهیم تا مطمئن شویم که نتیجه درست است، زیرا منجر به تغییر الگو می‌شود، طوری که گراویتون‌های پرجرم را به عنوان داوطلب ماده تاریک در نظر می‌گیریم.» از آنجایی که گراویتون‌های پرجرم در زیرِ مقیاس انرژی بوزون هیگز تشکیل می‌شوند، از عدم قطعیت‌های مربوط به مقیاس‌های انرژی بالاتر رها می‌شوند، که فیزیک ذرات کنونی آن را به خوبی توصیف نمی‌کند.
نظریه‌ی این تیم، فیزیک مورد مطالعه در زمینه‌ی شتاب دهنده‌های ذرات مانند “برخورد دهنده هادرونی بزرگ” را با فیزیک گرانش مرتبط می‌سازد. این بدان معناست که شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای قدرتمند مانند برخورد دهنده دایروی آینده در سرن که باید در سال ۲۰۳۵ شروع به کار کنند، می‌توانند شواهدی از این ذرات ماده تاریک را بدست آورند. “کاچیاپاگلیا” گفت: «احتمالاً بهترین چیزی که ما داریم، برخورد دهنده‌های ذرات با دقت بالا در آینده است. این چیزی است که در حال حاضر مشغول بررسی آن هستیم.» جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
منبع: سایت علمی بیگ بنگ