تلاش مشترک در جستجوی ذرات نایافته

اختر فیزیکدانان و فیزیکدانان ذرات بنیادی گویی به یک اندازه در جستجوی ماده نایافته ناکام مانده اند. گروه اول دلیل خوبی در دست دارد که وجود ماده را در جایی فرض کند که نمی‌تواند آن را بیابد؛ و گروه دوم در توصیف خود نیاز به ذراتی دارد که هنوز پیدا نشده است. تصور این مطلب که ممکن است هر دو گروه به دنبال یک چیز باشند به قدر کافی برانگیزنده بوده است، اما جالب تر این که، شاید بتوان با استفاده از فیزیک ماده چگال – در حد و مرز جدیدش – استفاده کرد و این ماده گریز پا را به آسانی پیدا کرد.
مدتهاست که ماده تیره، در انواع مختلف اش برای اختر فیزیکدانان و کیهانشناسان معمایی شده است. وجود آن هنوز متکی بر قراین است: (الف) حرکت مداری بی هنجار ستاره ها در کهکشانها، و (ب) در مقیاس بزرگتر، تعلق خاطر نظریه دانها به این که چگالی متوسط جهان قابل مشاهده باید در حدود یک صد برابر مقداری باشد که تاکنون از راه نور و تابشهای دیگر تشخیص داده شده است. از دو نامزد اصلی یعنی نوترینوهای سبک نسبیتی (داغ) و ذرات سنگین تر (سرد) ظاهراً دومی‌بهتر با شرایط فیود سازگار است.
فیزیک انرژیهای زیاد دشواریهای خود را دارد. مدل استاندارد – که ترکیبی است از کرومودینامیک کوانتومی‌(QCD) با توصیف کوارک – گلوئونی برهم کنشهای قوی، و نظریه پیمانه ای – پیش بینی‌های موفقی آمیز زیادی کرده و هنوز با مشاهده نقض نشده است. اما مدل استاندارد حدود 20 پارامتر آزاد دارد و مستلزم وجود ذرات جدید است که هنوز آشکار نشده اند.
منشأ یکی از این ذرات چیزی است که می‌شود آن را یک گرفتاری جزئی برای QCDبه حساب آورد. در نظریه اصلاح نشده، گشتاور دو قطبی الکتریکی نوترون خیلی بزرگتر از حد بالای بسیار کوچکی است که مشاهده می‌شود.
برای رفع این اشکال، تقارن پنهان جدیدی بر نظریه اعمال می‌شود که با شکستن آن در انرژی مناسب، ذره جرم داری موسوم به اکسیون حاصل می‌شود.
این کار ظاهراٌ من درآوردی است و از نظر زیبا شناختی هم چنگی به دل نمی‌زند. اما توفیق QCDدر توضیح مسائل دیگر این قبیل کمبودها را تحت الشعاع قرار می‌دهد. نظریه‌های ابرتقارنی از پشتوانه تجربی کمتری برخوردارند ولی، دست کم در نظر هوادارانشان، به همین اندازه جذابند (گر چه، به قول جان الیس نظریه دان، مورچه خوار هم معتقد است که بچه‌هایش قشنگ اند). اما، متأسفانه، بهایی که این نظریه ها برای وحدت بخشیدن به سه و یا هر چهار برهم کنش بنیادی می‌پردازند، تعداد بسیار زیادی ذره مفروض است.
در این جا فقط یک نمونه از تأثیر متقابل ستاره شناسی و فیزیک انرژیهای زیاد ارائه می‌شود: جرم و خواص دیگر آکسیونها و ذرات ابر تقارنی آنها را نامزدهای مناسبی برای ماده تیره سرد نایافته می‌سازد، که نه تنها در تمام جهان پراکنده است بلکه همراه ماده مرئی گرفتار قید گرانشی کهکشانهاست. ماده تیره کهکشانی، آزمایشگاههای ما را در می‌نوردد، اما برای این که آشکار سازی شود باید از طریقی سوای گرانش با ماده معمولی به واکنشی شدید بپردازد که خوشبختانه این کار را می‌کند. مثلاً آکسیون باید با میدان مغناطیسی برهم کنش کند و از این برهم کنش یک فوتون حاصل شود. با توجه به گستره جرمهایی که برای این ذره انتظار می‌رود، می‌توان یک دسته کاواک میکرو موجی در میدان پنج تسلا ساخت کهنشانه و اثر ظریف آکسیونهای کهکشانی را در نوار بسیار گسترده بین GHz1 تاGHz 1000 آشکار کند.
چشم انداز امکان به دام انداختن ذرات ابر تقارنی، توجه بسیار زیادی را جلب کرده است. نه تنها حاصل این کار بالقوه زیاد است، بلکه ترکیب رشته‌های علمی‌درگیر نیز به نحو جالبی غیر عادی است. خاصه، فیزیکدانان حالت جامد به این چالش جدید یعنی چگونگی آشکار سازی و تشخیص اختلال ناشی از پراکندگی ماده تیره از هسته در شبکه بلوری پاسخ مثبت داده اند. در دماهای کم، پس زنش هسته به ایجاد امواج صوتی کوانتیده (یا فوتون) در شبکه می‌انجامد. لم کار در این است که یا افزایش دمای حاصل را تشخیص بدهیم و یا خود فوتونها را آشکار کنیم.
روش اول، روشی است که برنارد سادوله و دیگران در برکلی، و پیتر اسمیت و همکارانش در آزمایشگاه رادرفورد – آپلتون، نزدیک آکسفورد، اتخاذ کرده اند. آنها در این کار از ظرفیت حرارتی فوق العاده کم بلورهای خالص بسیار کوچک در دمای 10 تا 20 میلی کولین استفاده می‌کنند: یک فوتون keV6 با افزایش دمای 1 و 0 درصدی که ایجاد می‌کند، می‌توان آشکار کرد.
ذرات ابر تقارنی متفاوت (ظاهراً اس نوترینوها، هیگزینوها، وفوتینوها، مطلوبترند) بسته به جرم اتمی‌واپسین هسته هدف، طبقهای انرژی متفاوتی خواهند داشت، از این رو باید با برنامه ریزی قبلی، به طور همزمان از موادی چون سیلسیوم، گالیوم، آرسنید و لیتیوم برمید استفاده کرد. نشانه و اثر دیگر به تغییرات فصلی طیف ذرات مربوط می‌شود، که معلول حرکت مداری ذرات مربوط می‌شود، که معلول حرکت مداری زمین نسبت به شار کهکشانی است. این قبیل آزمایشها باید در عمق زمین انجام شود تا حفاظت کافی در برابر اثرات پرتوهای کیهانی را تضمین کند. راههای دیگری هم برای آشکار سازی پس زنش هسته ای وجود دارد که ممکن است که دروکیر و همکارانش در انستیتو ماکس پلانک مونیخ ارائه کرده اند دروکیر پیشنهاد
می‌کند که دانه‌هایی از مواد ابر – رسانا را در یک میدان مغناطیسی به حال تعلیق در آوریم و دما را چنان قرار بدهیم که پس زنشی در داخل یک دانه آن را از حالت ابر رسانا به حالت دارای مقاومت ببرد و از این راه باعث حرکتی قابل تشخیص در شار مغناطیسی شود.
افزایش دما در چنین بلورهای آشکار ساز کوچکی (معمولاً به ضخام حدود میکرون) معلول پراکندگی چند گانه فوتونها از سطوح است. هیچ کس به یقین نمی‌داند که اگر ابعاد بلو افزایش یابد (که ممکن است مطلوب باشد) چه اتفاقی خواهد افتاد. در مورد فوتونهای کم انرژی، دست کم پراکندگی چندانی در داخل بلور صورت نمی‌گیرد و اثر پراکندگی از سطوح نیز ناچیز می‌شود، اما کسی طیف انرژی فوتون‌هایی را که بر اثر پس زنش تولید شده است، نمی‌شناسد و نحوه انتشار همه مدلهای ممکن را نمی‌داند. علاه بر این، خواص پراکندگی از سطوح، به نحوه حساسی تابع تعداد اندک اتمهای خارجی است.
با توجه به چنین عدم قطعیتهایی است که برنامه‌هایی بلند پروازانه برای آشکار سازی مستقیم فوتون‌ها ارائه شده است. یکی از اینها، برنامه ای است که تلاش کابره را و همکارانش در استانفورد دنبال می‌کنند و در آن از اثر فوتونها بر یک ابر رسانا استفاده می‌شود. اگر فوتونها به قدر کافی پر انرژی باشند، می‌توانند زوجهای الکترونی کویر را، مختل کنند. این زوجهای الکترونی هستند که در نتیجه برهم کنش با شبکه بلوری آزادانه جریان پیدا می‌کنند. حاصل این اختلال ترکیبی است از حفره ها و الکترونها که می‌توان آنها را به وسیله یک اتصال تونلی آشکار ساخت.
چه کارهایی در چشم انداز است؟ پیشرفته ترین آشکار سازهای پس زنش هسته ای، دو تا سه سال دیگر قابل بهره برداری خواهند بود. آن وقت، با ذرات ابر تقارنی فوراً پیدا خواهند شد و یا اگر برای تثبیت آشکار سازی به علائم فصلی نیاز باشد باید یکی دو سال دیگر هم صبر کرد. شاید هرگز پیدا نشوند. مؤسساتی که از آنها برای حمایت مالی این "تیرهای رها شده در تاریکی" استمداد شده است حق دارند که درباره چنین قماری فکر کنند. در بازیهای دیگر قماربازان آخرین دست را هم بازی می‌کنند و اگر اشتباه کرده باشند، تنها هیجان بازی است که پاداش کیسه خالی شده آنها خواهد بود.