پيداشدن اولين شواهد مبني بر وجود اكسيون؛ كانديداي توضيح ماده تاريك

اكسيون (Axion، با تلفظ صحيح اَكسيان) ذره‌اي بنيادي خارج از مدل استاندارد فيزيك ذرات است كه وجود آن به‌صورت انديشه متخصصيني پيش‌بيني شده است. دانشمندان در مدل‌هاي انديشه متخصصيني با استفاده از اكسيون‌ها رفتار ذرات زيراتمي را توضيح مي‌دهند.

فيزيك‌دانان انديشه متخصصيني براي اولين بار در دهه‌ي ۷۰ ميلادي وجود اكسيون را به‌عنوان راه‌حلي براي اشكالات رياضي در توصيف نيروي قوي هسته‌اي پيشنهاد داده بودند. نيروي قوي هسته‌اي نيرويي است كه ذرات زيراتمي با نام كوارك را براي تشكيل هسته‌ي اتم دركنار يكديگر نگه مي‌دارد. از آن زمان، از اكسيون براي توضيح ماده‌ي تاريك نيز استفاده شده است. ماده‌ي تاريك ماهيتي ناشناس است كه ۸۵ درصد از جرم كائنات را تشكيل داده اما هيچ نوري از آن ساطع نمي‌شود.

دكتر كاي مارتنز، فيزيك‌دان دانشگاه توكيو و از جمله داشنمنداني كه روي آزمايش اخير منجر به پيدا شدن شواهد وجود اكسيون كار كرده مي‌گويد حتي درصورت تأييد وجود اين ذره، هنوز مشخص نيست كه اكسيون بتواند عدم تقارن موجود در مدل نيروي قوي هسته‌اي را حل كند يا توضيحي براي جرم ناپيدا در كائنات ارائه دهد. 

به‌گفته‌ي دكتر مارتنز، اكسيون‌هايي كه به‌تازگي ردپاي آن‌‌ها پيدا شده است ظاهرا از درون خورشيد بيرون مي‌آيند و درنتيجه رفتار آن‌ها شبيه به «ماده‌ي تاريك سرد» نيست. فيزيك‌دانان عقيده دارند ماده‌ي تاريك سرد به‌صورت هاله‌اي اطراف كهكشان‌ها را مي‌پوشاند. اگر خورشيد منشاء اكسيون‌هاي آزمايش اخير باشد يعني اين ذرات به‌تازگي توليد شده‌اند؛ درحالي كه به‌انديشه متخصصين مي‌رسد ماده‌ي تاريك سرد از ابتداي پيدايش كائنات، ميلياردها سال دست‌نخورده باقي مانده باشد.

علاوه‌بر آنچه گفته شد، كشف اكسيون هنوز قطعي نشده است. باوجود جمع‌آوري داده به‌مدت دو سال، شواهد به‌دست آمده براي اعلام قطعي وجود اين ذره‌ي بنيادي هنوز اندك است. مارتنز در مصاحبه با لايو ساينس مي‌گويد با جمع‌آوري داده‌هاي بيشتر ممكن است همين شواهد اندك از وجود اكسيون كمتر و كم‌ارزش‌تر شود.

دانشمندان براي پيداكردن سيگنالي خفيف از وجود اكسيون از مخزني با ۳٫۲ تن زنون مايع در اعماق زمين استفاده كرده‌اند. اين آزمايش كه XENON1T نام دارد، در آزمايشگاه ملي گرن سسو در ايتاليا صورت گرفته است. 

حداقل دو پديده‌ي علمي ديگر به جز اكسيون نيز وجود دارند كه مي‌توانند توجيه كننده‌ي داده‌هاي به‌دست آمده از آزمايش XENON1T باشند؛ هرچند محققان با آزمودن تئوري‌هاي مختلف به اين نتيجه رسيده‌اند كه اكسيون‌هايي كه منشاء آن‌ها خورشيد است، محتمل‌ترين توضيح براي نتايج به‌دست آمده از اين آزمايش هستند. داده‌هاي اين آزمايش هنوز دراختيار عموم دانشمندان قرار نگرفته و مقاله‌اي درباره‌ي آن در نشريات علمي چاپ نشده است.

چاندا پرسكاد واينستاين، فيزيكدان دانشگاه نيوهمشاير عقيده دارد كه اگر آزمايش اخير وجود اكسيون را ثابت كند، بزرگ‌ترين كشف علمي اخترفيزيك از زمان كشف شتاب داشتن سرعت گسترش كائنات است (در سال ۱۹۹۸ دانشمندان متوجه شدند كائنات نه‌تنها در حال گسترش است، بلكه اين انبساط همراه با شتاب است).

قرار دادن مخزني در عمق زمين باعث مي‌شود جلوي رسيدن تقريبا هر نوع پرتويي به محتويات آن گرفته شود و تنها ذرات بسيار اندكي (احتمالا ذرات ماده‌ي تاريك) به مايع درون مخزن برسند و با آن واكنش نشان دهند. 

بيشتر واكنش‌هاي به‌وجود آمده با زنون مايع موجود در مخزن حاصل فعل‌وانفعالات ناشي از برخورد با ديگر ذراتي است كه فيزيكدانان پيش از اين كشف كرده و انتظار آن را دارند (مانند نوترينوها)؛ اما در چنين آزمايش‌هايي دانشمندان به‌دنبال يافتن شواهدي از برهم‌كنش پيش‌بيني نشده هستند كه با استفاده از مدل‌هاي قديمي و ذرات شناخته شده توجيهي براي آن‌ها وجود ندارد.

اكسيون تنها كانديدا براي توضيح ماده‌ي تاريك نيست. ذرات ديگري با نام WIMPS (ذرات سنگين با برهم‌كنش ضعيف) نيز پيش از اين براي ماده‌ي تاريك پيشنهاد شده‌اند، اما آزمايش‌هاي مبتني بر مخازن زنون مايع تاكنون وجود آن‌ها را رد كرده‌اند. پيدا كردن شواهدي از وجود اكسيون درحالي رخ مي‌دهد كه دانشمندان در سال‌هاي اخير براي توجيه ماده‌ي تاريك در مدل‌هاي خود به اين ذره‌ي فرضي توجه بيشتري نشان داده‌اند.

هنوز اين امكان وجود دارد كه پرتوهاي ديگري از منابع غيرمنتظره مانند مواد راديواكتيو موجود در اعماق زمين يا تريتيوم باقي‌مانده در مخزن به‌گونه‌اي بر سنسورهاي XENON1T تأثير گذاشته باشند كه شبيه به نتايج مورد انتظار از رفتار اكسيون باشد. همچنين اين احتمال وجود دارد كه واكنش نوترينوها با ميدان مغناطيسي زمين از آنچه پيش‌تر تصور مي‌شد قوي‌تر باشد و نتايج شبيه به وجود اكسيون توليد كرده باشد؛ هرچند اين احتمال بسيار بعيد به‌انديشه متخصصين مي‌رسد، چراكه در اين صورت دانشمندان بايد براي توجيه رفتار عجيب تونرينوها در مدل استاندار فيزيك ذرات تجديد انديشه متخصصين كنند.

دانشمندان عقيده دارند دقت انديشه متخصصينيه‌ي وجود اكسيون در آزمايش اخير برابر با «۳٫۵ سيگما» است. دقت ۳٫۵ سيگما يعني به احتمال ۲ در ۱۰٬۰۰۰ پرتوهاي غيرمرتبط و متفرقه‌ي زمينه باعث به‌وجود آمدن سيگنال شده باشند. دانشمندان معمولا هنگامي از لفظ «كشف» براي ذره‌اي جديد استفاده مي‌كنند كه با دقت ۵ سيگما به نتايج خود اعتماد داشته باشند. چنين دقتي به معناي شانس خطاي ۱ در ۳۵ ميليون است.

آزمايش مشابه ديگري با استفاده از زنون مايع با نام XENONnt قرار است تا سال آينده در ايتاليا انجام شود. اين آزمايش كه بسيار دقيق‌تر است، ۵ سال طول مي‌كشد و داده‌هاي آماري روشن‌تري دراختيار دانشمندان قرار مي‌دهد. همچنين در آينده‌ي نزديك قرار است آزمايش‌هاي مشابهي در آمريكا و چين نيز صورت بگيرد.

اين احتمال نيز وجود دارد كه كشورهاي دنيا با به‌اشتراك گذاشتن ذخاير زنون خود در پروژه‌اي بين‌المللي اقدام به ساخت آشكارسازي ۳۰ تني كنند كه دقت بسيار بالاتري براي يافتن ذرات بنيادي خواهد داشت.