راز ماده تاریک؛ آیا «جهان آینه‌ای» پرده از معمای ۱۳ میلیارد ساله برمی‌دارد؟

حضور ماده تاریک است که دلیل انسجام کهکشان‌ها و چرخش آن‌ها را توضیح می‌دهد. ساختار بزرگ‌مقیاس جهان و داده‌های تابش زمینه کیهانی نیز نشان می‌دهند چیزی ناشناخته در تمام تاریکی کیهان نفوذ کرده است.

اما آنچه همچنان ناشناخته باقی مانده، منشأ ماده تاریک و در نتیجه ویژگی‌های ذره‌ای آن است. پاسخ به این پرسش‌ها بر عهده نظریه‌پردازانی چون استفانو پروفومو، فیزیک‌دان نظری و استاد دانشگاه کالیفرنیا، سانتاکروز است.

او در دو مقاله‌ تازه خود این موضوع را از دو مسیر متفاوت بررسی کرده، اما هر دو بر این ایده متمرکزند که ماده تاریک می‌توانسته به‌طور طبیعی از شرایط کیهان اولیه پدید آید، نه اینکه الزاما یک ذره عجیب و ناشناخته باشد که باید با ماده معمولی برهم‌کنش داشته باشد.

در تازه‌ترین مطالعه‌ای که در نشریه علمی «Physical Review D» منتشر شد، پروفومو بررسی می‌کند که آیا ماده تاریک می‌توانسته در یک بخش پنهان یا «جهان آینه‌ای» شکل گرفته باشد؛ جهانی که کاملا برای انسان‌ها نامرئی بوده اما قوانین فیزیکی مشابه جهان ما بر آن حکم‌فرماست.

این ایده از نظریه «کرومودینامیک کوانتومی» الهام گرفته است؛ نظریه‌ای که توضیح می‌دهد کوارک‌ها چگونه به‌وسیله نیروی قوی هسته‌ای درون پروتون‌ها و نوترون‌ها به هم متصل می‌شوند.

در کار تازه پروفومو، نیروی قوی در بخش تاریک تکرار می‌شود. این ذرات تاریک می‌توانند با یکدیگر پیوند خورده و ذرات مرکب سنگینی به نام «باریون‌های تاریک» بسازند.

در شرایط خاصی از کیهان اولیه، این باریون‌های تاریک آن‌قدر متراکم و پرجرم می‌شوند که تحت گرانش خود فروبریزند و اجرامی شبیه سیاه‌چاله ایجاد کنند.

این بقایا تنها چند برابر جرم پلانک (مقیاس بنیادین در فیزیک کوانتومی گرانش) وزن دارند، اما اگر به تعداد کافی تولید شوند، می‌توانند تمام ماده تاریک مشاهده‌شده امروز را توضیح دهند.

آن‌ها تنها از طریق گرانش اثر می‌گذارند بنابراین هیچ‌گاه در آشکارسازهای ذره‌ای دیده نمی‌شوند، اما حضورشان در مقیاس کیهانی شکل‌دهنده جهان است.

این سناریو یک چارچوب جدید و آزمون‌پذیر ارائه می‌دهد که بر پایه فیزیک شناخته‌شده است، اما آن را به سوی پرسشی بنیادی در کیهان‌شناسی گسترش می‌دهد.

بر افق کیهان
مقاله دیگر پروفومو که در ماه مه در همان نشریه منتشر شد، به سناریوی متفاوتی می‌پردازد: آیا ممکن است ماده تاریک از افق کیهان، مرزی مشابه افق رویداد سیاه‌چاله، در دوران اولیه کیهان پدید آمده باشد؟

پرسش اینجاست: اگر جهان پس از تورم دوره‌ای کوتاه از انبساط شتاب‌دارتر از آنچه ماده یا تابش اجازه می‌دهد، تجربه کرده باشد، آیا آن دوره می‌توانسته به‌طور گرانشی ذراتی تازه «بتاباند» و به وجود آورد؟

با استفاده از اصول نظریه میدان‌های کوانتومی در فضا-زمان خمیده، این پژوهش نشان می‌دهد که بسته به دما و طول این دوره، طیف وسیعی از جرم‌های ماده تاریک می‌توانسته تولید شود.

نکته مهم این است که این فرضیه نیاز به هیچ پیش‌فرضی درباره نوع برهم‌کنش ماده تاریک ندارد؛ تنها کافی است که این ذرات پایدار باشند و از راه گرانش تولید شوند.

این ایده الهام‌گرفته از پدیده‌ای است که ناظران در نزدیکی افق‌های کیهانی (مانند افق سیاه‌چاله) تجربه می‌کنند، جایی که اثرات کوانتومی باعث می‌شود پرتوهای حرارتی ظاهر شوند.

فراتر از مدل‌های متعارف
آقای پروفومو تأکید می‌کند: «هر دو سازوکار بسیار گمانه‌زنانه هستند، اما چارچوب‌هایی خودبسنده و محاسبه‌پذیر دارند که وابسته به مدل‌های متعارف ماده تاریک ذره‌ای نیستند؛ مدل‌هایی که با توجه به نتایج منفی آزمایش‌ها بیش از پیش زیر فشار قرار گرفته‌اند.»

پروفومو می‌گوید: «این پژوهش‌ها کاوش ایده‌هایی است که عمیق‌ترین پرسش‌های فیزیک ذرات را به رفتار بزرگ‌مقیاس کیهان پیوند می‌دهند.»