به دنبال ماده ي تاريک در ژرفاي زمين
نويسنده:بروک بورل
ترجمه:شادي حامدي آزاد
ترجمه:شادي حامدي آزاد
شايد رقابت براي حل بزرگ ترين معماي فيزيک با چيزي که دانشمندان در ژرفاي 1480 متري زير زمين خواهند يافت به پايان برسد.
ميان سال هاي 1876 تا 2002 ميلادي، از معدن هُم استيک در شهر ليد در داکوتاي جنوبي آمريکا 3/5 ميليارد دلار طلا استخراج شد.استخراج طلا کار اصلي اغلب مردم اين شهر بود.اما وقتي کاهش محصول معدن و افت قيمت ها سرانجام موجب بسته شدن معدن شد کسي نمي دانست از اين حفره به عمق حدود 2500 متر چه استفاده ي ديگري مي توان کرد!سرانجام در سال 2007/1386 بنياد ملي علوم آمريکا به اين نتيجه رسيد که چنين حفره اي بهترين مکان براي ساختن آزمايشگاه مهندسي و علوم زيرزميني (DUSEL)است؛ مجموعه ي پژوهشي عظيمي که ميزبان عميق ترين آزمايشگاه زيرزميني دنيا خواهد بود.
حالا گروهي از فيزيکدانان و معدن چيان سابق انبار ارسال معدن را به آزمايشگاه جديدي روي سطح تبديل کرده اند که پُر از مخزن هاي نيتروژن، کامپيوترهاي به اندازه ي کمد، و قطعات پلاستيک پوش است.به زودي بسياري از اين قطعات را به «اتاق تميز»آزمايشگاه منتقل و آن ها را با ابزار LUX ترکيب مي کنند؛ اين ابزار، آشکارساز بزرگ زيرزميني ماده ي تاريک زنون است که بعداً تا نيمه ي راه به اعماق معدن منتقل خواهد شد و در آنجا-اگر همه چيز خوب پيش برود-سرانجام حضور تعدادي از ذرات ماده ي تاريک را آشکار خواهد کرد؛ ذراتي که فعلاً آشکار نشده و نامرئي اند و شايد درست همان عامل منسجم ماندن کيهان باشند.
امروز روزي تابستاني است که من (بروک بورل)چند ساعتي را از پشت پنجره به تماشاي اتاق تميز مي گذرانم در حالي که چهار فيزيک دان با روپوش هاي سفيد يکسان، دستکش هاي لاستيکي، پوتين هاي آبي، ماسک هاي جراحي، و عينک هاي محافظ آماده مي شوند تا دو بخش اصلي آشکارساز را به بدنه ي اصلي دستگاه متصل کنند.سرماسنج دروني دستگاه، استوانه اي توخالي به اندازه ي يک سطل زباله است که همه به آن «قوطي»مي گويند و اکنون زير سطح زمين درون حفره اي پوشيده شده با شبکه اي ميله اي قرار دارد.از چارچوبي بالاي اين حفره جسمي گنبد شکل آويزان است که نوعي درپوش براي قوطي محسوب مي شود و از خود اين گنبد هم ترکيبي پيچيده به نام اسکلت آويزان است.هدف اين است که قوطي با دقت بالا بيايد و دور اسکلت را بگيرد-در واقع مانند عروسک هاي ماتروشکا يا تودر تو، يکي درون ديگري قرار بگيرد-تا زماني که با پوشش گنبد تماس پيدا کنند و آب بندي خوبي ايجاد کنند.اين ترکيب نهايي سرانجام شامل 115 ليتر زنون مايع با دماي 103-درجه ي سانتي گراد خواهد شد.همين ماده ماده ي تاريک را آشکار خواهد کرد بنابراين براي اين کار دقت ضروري است.اما بخش هاي مختلف دستگاه در مکان هاي متفاوتي ماشين کاري شده اند و بدون وجود آن آب بندي کامل ممکن است هوا و آلاينده ها وارد آزمايش شوند و نتيجه را تحت تأثير قرار دهند.تام شات، فيزيک دان دانشگاه کيس وسترن ريزرو و يکي از بنيان گذارن پروژه ي LUX ، مي گويد:«از اين که قوطي چقدر آب بندي شده خواهد بود خيلي نگران بوديم.»
هرچند، گروه بايد پيش از بلند کردن قوطي خود اسکلت را تکميل کند.اکنون اين اسکلت شامل شش تسمه ي نازک تيتانيومي است که از لبه ي داخي گنبد آويزان اند.کار بعدي وارد کردن سه قرص ضخيم است که بدنه ي اصلي اسکلت را مي سازد.يکي از فيزيک دانان با هدايت دستي جرثقيل چنگک دار کوچکي يکي از قرص هاي مسي را تا ارتفاع کمر بالا مي آورد و ديگر قرص ها حايل موقتي را ايجاد مي کنند که تا زمان انجام دادن تنظيمات نهايي و پيچ شدن قرص مسي به تسمه ها آن را سر جايش نگه مي دارند.اين فرايند براي هر کدام از سه قرص ادامه مي يابد.
فيزيک دانان اين کار را آن قدر ادامه مي دهند تا سرانجام حالت چهار دست و پا مي رسند؛ يعني نوبت به پيچ کردن آخرين قرص مسي مي رسد که فقط 15 سانتي متر با سطح زمين فاصله دارد.بعد به حالت دوزانو يا ايستاده نتيجه ي کارشان را تماشا مي کنند.شات، که مسئول هماهنگي ساخت قوطي بود،ازجا بلند مي شود و به سوي سرسراي اتاق تميز مي رود تا لباس مخصوص را بپوشند.(غبار معمولي، نوعي که هر جايي ممکن است وجود داشته باشد، شايد خاصيت پرتوزايي بالايي داشته باشد که حتي اگر آشکارساز، ماده ي تاريک را بيابد ممکن است سيگنال را نامفهوم کند.)خيلي زود يکي از دانشجويان به او مي پيوندد و همين طور بقيه، و اتاق تميز شلوغ مي شود.شش فيزيک دان چارچوب حامل اسکلت را به کناري مي برند و پوشش ميله اي حفره را باز مي کنند.يکي از آن ها پايين به درون حفره مي رود، دو کابل به قوطي مي بندد، و به زحمت از سر راه کنار مي رود، کابل ها را از ميان دو قرقره روي چارچوب رَد مي کنند.آن ها وزنه هايي را به سر ديگر کابل ها مي بندند و آسانسور ساده اي مي سازند تا قوطي را به آهستگي به دور اسکلت بالا بياورند.شات کناري مي ايستد و مانند کودکي که مي خواهد هديه اي را باز کند انگشتانش مي جنبد.
ديگر دانشمندان پروژه ي LUX هم منتظر لحظه ي حساس اند و من راهم را به سوي پنجره ي کناري، جايي که دانشجويان جمع شده اند، باز مي کنم.وقتي قوطي به بالا نزديک مي شود، زمزمه ها ساکت مي شوند.اسکلت به خوبي به درون جايش مي لغزد.اما در فاصله اي کمتر از 2 سانتي متر از گنبد، که قطوي بايد سرانجام در جايش قفل شود، گير مي کند.شات و گروهش سعي مي کنند رهايش کنند و همچنين سعي مي کنند با زورآن را جا بيندازند، اما از جايش تکان نمي خورد.فيزيک دانان تصور مي کنند که شايد ابعاد قوطي يا شکل اسکلت ناجور است.علي رغم اين شکست آشکار، جسورانه براي گرفتن چند عکس ژست مي گيرند!سپس به دقت قوطي را به درون حفره باز مي گردانند.فردا دوباره تلاش خواهند کرد.
امروزه، اغلب (ولي نه همه ي)فيزيک دانان موافق اند که ماده ي تاريک وجود دارد، و اين که احتمالاً چيزي ساخته شده است که دانشمندان آن را ويمپ ها (WIMPS)يا «ذرات پُرجرم با بر هم کنش ضعيف»مي نامند.«پُرجرم»به اين معنا نيست که اين ذرات بزرگ اند بلکه به اين معناست که جرم دارند و بنابراين هم موجب کششي گرانشي مي شوند و هم به کشش گرانش واکنش نشان مي دهند.«با برهم کنش ضعيف»يعني که اين ذرات، با وجود داشتن جرم، به ندرت با ماده برهم کنشي دارند.دانشمندان همچنين فرض مي کنند که ويمپ ها از نظر الکترومغناطيسي خنثي هستند و به همين سبب هم آن ها را نمي بينيم.در واقع، تا به حال همه ي بحث ها بر سر وجود ماده ي تاريک بر اساس استنتاج بوده است.هيچ کس تا به حال آن ها را مستقيم رصد نکرده است.بسياري از دانشمندان، از جمله خانم رابين، به نظريه ي ويمپ ها و البته در برخي موارد نسبت به خود مفهوم ماده ي تاريک مشکوک اند؛ آن ها بر اين باورند که شايد مسئله فقط اين است که فيزيک نيوتني نمي تواند چگونگي حرکت ها را در مقياس کهکشاني توضيح دهد.وقتي از دَن اَکريب، همکار شات در دانشگاه کيس وسترن و يکي از پژوهش گران اصلي در پروژه LUX، پرسيدم که چرا ويمپ ها محبوب ترين نامزدهاي اين موضوع اند موضع علمي استانداري گرفت و گفت:«نظريه ي ويمپ ها فقط بهترين نظريه ي رايج است.علت شايد اين باشد که جست و جو به دنبال ويمپ ها کمتر از چيزهاي ديگر احمقانه است!».
اينجاست که LUX و ديگر پروژه هاي هم تراز، که وجود ويمپ ها را حتمي فرض مي کنند، وارد ميدان مي شوند.وقتي اخترشناسان شواهد ماده ي تاريک را در عالم يافتند به نظر مي رسيد که به طور نايکنواختي توزيع شده است.اين ماده از نظر گرانشي مانند ماده ي معمولي رفتار مي کند:يعني کنار هم توده مي شود.نظريه پردازان ماده ي تاريک در حال حاضر بر اين باورند که ماده ي تاريک در ابرهايي کروي به دور اغلب کهکشان ها متمرکز شده است.وقتي منظومه ي شمسي ما درون راه شيري مي گردد، هر دوشان درون يکي از همين ابرها در حرکت اند و ذرات درون اين ابر-يعني ويمپ ها-از ميان زمين و هرچيز روي آن با سرعتي که فيزيک دانان آن را حدود 100 هزار عدد در سانتي متر مربع در ثانيه تخمين مي زنند عبور مي کنند.فيزيک دانان پروژه ي LUX و ديگر پروژه هاي مشابه اميدوارند که در بررسي هاي خود سرانجام ويمپي را به دام بيندازند.اين آشکارسازهاي ديگر نيز زيرزمين، در معدن ها يا مجراهاي آب متروک يا زيرکوه ها، قرار دارند تا از دريافت ديگر ذرات کيهاني،که ممکن است با ويمپ ها اشتباه گرفته شوند، درامان باشند.در برخي از اين آشکارسازها ماده ي آشکارساز ژرمانيوم است و در برخي ديگر، مانند LUX ، زنون مايع اين کار را انجام مي دهد.
اغلب ويمپ ها با ماده ي آشکارساز برخورد نمي کنند اما بر اساس نظريه پردازي هاي شات و اَکريب در هر سال حدود سه يا چهار ويمپ بايد با هسته ي يکي از 1/6 اُکتيليون (27 10×1/6)اتم زنون در مخزن LUX برخورد کنند!وقتي چنين برخوردي صورت بگيرد دو درخش نور ناچيز گسيل مي شود که اين نخستين مدرک مستقيم از وجود ماده ي تاريک خواهد بود.
در فروشگاه، فروشندگان خوش برخورد آماده بودند هر طور مي توانند به ما دريافتن ابزار مورد نيازمان کمک کنند.داستان هايي را که از فيزيک دانان شنيده بودم به چشم ديدم.اين که مردم اين شهر اين پروژه ي عظيم فيزيکي را، که زير شهرشان در جريان است، عاشقانه دوست دارند.آن ها هرجا که مي شود به فيزيک دانان نزديک مي شوند-در رستوران، سبزي فروشي، پمپ بنزين، و استخر-تا بگويند که براي هر کمکي حاضرند.وقتي شات برنامه ي سخنراني اي درباره ي ماده ي تاريک برگزار کرد بيش از 100 نفر در برنامه شرکت کردند.مرکز توريستي شهر تي شرت هايي با لوگوي پروژه ي LUX و اين عبارت مي فروشد:«کارکشته ها دنبال ويمپ ها مي گردند».
همه ي اين تلاش ها پرهزينه اند و بنابراين جست و جو به دنبال ماده ي تاريک در هر شهري که انجام مي شود تا حدودي منجر به شکوفايي و توسعه ي انجا شده است.مثلاً در همين شهر ليد وجود اين تجهيزات موجب رونق بازار مسکن، خلق بازار کار جديد، رشد رستوران ها و فروشگاه ها، و استخدام شدن صدها نفر از مردم محلي-از کارگران سابق معدن تا زمين شناس و مدير منابع انساني-شده است.و تازه اين آزمايشگاه فعلاً فقط بخش نخست پروژه ي DUSEL است که تا به حال 47/3 ميليون دلار از منابع ايالتي و 70 ميليون دلار از اهداکنندگان خصوصي بودجه دريافت کرده است و پيش بيني مي شود بيش از 875 ميليون دلار هم از دولت آمريکا دريافت کند.اين بودجه کمک مي کند که 595 کيلومتر تونل هاي معدن هُم استيک و زمين هاي سطح را به مجموعه ي DUSEL تبديل کنند:مجموعه اي از آزمايشگاه هاي فيزيک از جمله آزمايشگاه هاي نسل بعدي LUX که هم اکنون طراحي شده اند و مخزن هاي زِنون بسيار بزرگ تري خواهند داشت که به اين ترتيب احتمال به دام افتادن ويمپ ها افزايش پيدا مي کند.
قرار است DUSEL هم، مانند شرکت حفاري هُم استيک درگذشته، ليد را به شهر اين شرکت تبديل کند.هم استيک فقط کارفرمايي بزرگ در شهر نبود بلکه بر همه ي ديگر جنبه هاي زندگي در اين شهر هم تاثير گذاشته بود.به گفته ي تام نلسون، شهردار ليد که پدربزرگ، پدر، و برادرش در اين معدن کار کرده اند:«اگر شهر ليد چيزي لازم است، هُم استيک آن را مي ساخت.آن ها سامانه ي آب شهر را ساختند، برق را به اين شهر آوردند، راه آهن، بيمارستان، مراکز تفريحي، فروشگاه ها، بانک و همه چيز اين شهر را آن ها فراهم کردند».البته قرار نيست پروژه DUSEL کلينيک يا بانک شهر را اداره کند اما حضورش در اينجا پول و شغل را به اين شهر مي آورد.دني استنفورد، يکي از خيّرين، 20 ميليون دلار از 70 ميليون دلار اهدايي اش را براي احداث مرکز علمي-آموزشي کنار گذاشته که پژوهشگران DUSEL در آنجا سخنراني کنند و دانش آموزان به آزمايش هاي فيزيک در زيرزمين دسترسي داشته باشند.بودجه ي ساليانه ي اين پروژه 23 ميليون دلار است که بيش از نيمي آز آن در اين شهر هزينه مي شود.و حدود 70 نفر از کارمندان سابق معدن امروز در اداره ي علم و فناوري داکوتاي جنوبي مشغول به کارند؛ يعني همان اداره اي که براي تبديل معدن به آزمايشگاه هاي فيزيک ايجاد شده است.
فراتر از شهر ليد اجتماعي بزرگ تر وجود دارد-کلّ جامعه ي اخترفيزيک دانان و فيزيک دانان ذرات-که براي موفقيت اين پروژه تلاش مي کنند.بدون وجود ويمپ ها، مدل استاندارد فيزيک-نظريه اي که بر برهم کنش هاي همه ذرات زيراتمي
حتي با وجود اين که فيزيک دانان مخزن آشکارساز را با 340 کيلوگرم زنون مايع پُر مي کنند در طول سال براي شکار کردن چند ويمپ بايد دست به دعا بردارند.
وقتي يک ويمپ با يکي از هسته هاي زنون برخورد کند الکترون و امواج نور گسيل مي کند.نور را لوله هاي نورافزا در سقف و کف قوطي آشکار مي کنند، چند هزارم ثانيه بعدتر، الکترون ها به گاز زنون مي رسند و درخش دومي ايجاد مي کنند که 600 برابر اولي روشنايي دارد.
در اين نشاني اينترنتي مي توانيد اطلاعات بيشتري درباره ي اين پروژه به دست آوريد و عکس هاي بسياري از مراحل مختلف کار ببينيد:
www.sanfordundergroundlaboratoryathomestake.org شناخته شده حاکم است-ضعيف مي شود و دانشمندان بايد در فرضيات خود درباره ي فيزيک زيراتمي تجديد نظر کنند و بدون داشتن مدرکي محکم از وجود ماده ي تاريک، فهم ابتدايي ما از ترکيبات عالم از هم مي پاشد.شات مي گويد:«اگر سرانجام علوم شود که ماده ي تاريک از ويمپ ها ساخته نشده است، بيشتر از جنبه ي فلسفي نااميد کننده است تا از جنبه ي شخصي؛ زيرا انسان هرگز نخواهد فهميد که ماده ي تاريک چيست.ما کاملاً خود را آماده کرده ايم که ويمپ ها را ما پيدا نکنيم و ديگر رقبا آن را بيابند.اما اگر کل جامعه ي فيزيک دريافتن اين ذره ي مرموز ناکام بماند بسيار نااميد کننده خواهد بود».
حالا پروژه ي LUX حدود 95 درصد کامل شده است.
گروه در حال آماده شدن براي نخستين آزمايش ها هستند که طي آن قرار است آشکارساز پُر از زنون را به درون مخزني 244 هزار ليتري دو طبقه پايين تر از آزمايشگاه انتقال دهند تا ببينند چگونه کار مي کند.گام بعدي ايجاد تشکيلات زيرزميني LUX در عمق 1480 متري در زمستان آينده و بعد آغازِ انتظار است؛ فيزيک دانان و مردم ليد اميدوارند که اين حفره ي عظيم زير شهر-که طي سال ها منبع درآمدشان بوده است-همچنان اقتصاد اين شهر را پايدار نگاه دارد و در ضمن شايد راز درک عالم را فاش کند.
ميان سال هاي 1876 تا 2002 ميلادي، از معدن هُم استيک در شهر ليد در داکوتاي جنوبي آمريکا 3/5 ميليارد دلار طلا استخراج شد.استخراج طلا کار اصلي اغلب مردم اين شهر بود.اما وقتي کاهش محصول معدن و افت قيمت ها سرانجام موجب بسته شدن معدن شد کسي نمي دانست از اين حفره به عمق حدود 2500 متر چه استفاده ي ديگري مي توان کرد!سرانجام در سال 2007/1386 بنياد ملي علوم آمريکا به اين نتيجه رسيد که چنين حفره اي بهترين مکان براي ساختن آزمايشگاه مهندسي و علوم زيرزميني (DUSEL)است؛ مجموعه ي پژوهشي عظيمي که ميزبان عميق ترين آزمايشگاه زيرزميني دنيا خواهد بود.
حالا گروهي از فيزيکدانان و معدن چيان سابق انبار ارسال معدن را به آزمايشگاه جديدي روي سطح تبديل کرده اند که پُر از مخزن هاي نيتروژن، کامپيوترهاي به اندازه ي کمد، و قطعات پلاستيک پوش است.به زودي بسياري از اين قطعات را به «اتاق تميز»آزمايشگاه منتقل و آن ها را با ابزار LUX ترکيب مي کنند؛ اين ابزار، آشکارساز بزرگ زيرزميني ماده ي تاريک زنون است که بعداً تا نيمه ي راه به اعماق معدن منتقل خواهد شد و در آنجا-اگر همه چيز خوب پيش برود-سرانجام حضور تعدادي از ذرات ماده ي تاريک را آشکار خواهد کرد؛ ذراتي که فعلاً آشکار نشده و نامرئي اند و شايد درست همان عامل منسجم ماندن کيهان باشند.
امروز روزي تابستاني است که من (بروک بورل)چند ساعتي را از پشت پنجره به تماشاي اتاق تميز مي گذرانم در حالي که چهار فيزيک دان با روپوش هاي سفيد يکسان، دستکش هاي لاستيکي، پوتين هاي آبي، ماسک هاي جراحي، و عينک هاي محافظ آماده مي شوند تا دو بخش اصلي آشکارساز را به بدنه ي اصلي دستگاه متصل کنند.سرماسنج دروني دستگاه، استوانه اي توخالي به اندازه ي يک سطل زباله است که همه به آن «قوطي»مي گويند و اکنون زير سطح زمين درون حفره اي پوشيده شده با شبکه اي ميله اي قرار دارد.از چارچوبي بالاي اين حفره جسمي گنبد شکل آويزان است که نوعي درپوش براي قوطي محسوب مي شود و از خود اين گنبد هم ترکيبي پيچيده به نام اسکلت آويزان است.هدف اين است که قوطي با دقت بالا بيايد و دور اسکلت را بگيرد-در واقع مانند عروسک هاي ماتروشکا يا تودر تو، يکي درون ديگري قرار بگيرد-تا زماني که با پوشش گنبد تماس پيدا کنند و آب بندي خوبي ايجاد کنند.اين ترکيب نهايي سرانجام شامل 115 ليتر زنون مايع با دماي 103-درجه ي سانتي گراد خواهد شد.همين ماده ماده ي تاريک را آشکار خواهد کرد بنابراين براي اين کار دقت ضروري است.اما بخش هاي مختلف دستگاه در مکان هاي متفاوتي ماشين کاري شده اند و بدون وجود آن آب بندي کامل ممکن است هوا و آلاينده ها وارد آزمايش شوند و نتيجه را تحت تأثير قرار دهند.تام شات، فيزيک دان دانشگاه کيس وسترن ريزرو و يکي از بنيان گذارن پروژه ي LUX ، مي گويد:«از اين که قوطي چقدر آب بندي شده خواهد بود خيلي نگران بوديم.»
هرچند، گروه بايد پيش از بلند کردن قوطي خود اسکلت را تکميل کند.اکنون اين اسکلت شامل شش تسمه ي نازک تيتانيومي است که از لبه ي داخي گنبد آويزان اند.کار بعدي وارد کردن سه قرص ضخيم است که بدنه ي اصلي اسکلت را مي سازد.يکي از فيزيک دانان با هدايت دستي جرثقيل چنگک دار کوچکي يکي از قرص هاي مسي را تا ارتفاع کمر بالا مي آورد و ديگر قرص ها حايل موقتي را ايجاد مي کنند که تا زمان انجام دادن تنظيمات نهايي و پيچ شدن قرص مسي به تسمه ها آن را سر جايش نگه مي دارند.اين فرايند براي هر کدام از سه قرص ادامه مي يابد.
فيزيک دانان اين کار را آن قدر ادامه مي دهند تا سرانجام حالت چهار دست و پا مي رسند؛ يعني نوبت به پيچ کردن آخرين قرص مسي مي رسد که فقط 15 سانتي متر با سطح زمين فاصله دارد.بعد به حالت دوزانو يا ايستاده نتيجه ي کارشان را تماشا مي کنند.شات، که مسئول هماهنگي ساخت قوطي بود،ازجا بلند مي شود و به سوي سرسراي اتاق تميز مي رود تا لباس مخصوص را بپوشند.(غبار معمولي، نوعي که هر جايي ممکن است وجود داشته باشد، شايد خاصيت پرتوزايي بالايي داشته باشد که حتي اگر آشکارساز، ماده ي تاريک را بيابد ممکن است سيگنال را نامفهوم کند.)خيلي زود يکي از دانشجويان به او مي پيوندد و همين طور بقيه، و اتاق تميز شلوغ مي شود.شش فيزيک دان چارچوب حامل اسکلت را به کناري مي برند و پوشش ميله اي حفره را باز مي کنند.يکي از آن ها پايين به درون حفره مي رود، دو کابل به قوطي مي بندد، و به زحمت از سر راه کنار مي رود، کابل ها را از ميان دو قرقره روي چارچوب رَد مي کنند.آن ها وزنه هايي را به سر ديگر کابل ها مي بندند و آسانسور ساده اي مي سازند تا قوطي را به آهستگي به دور اسکلت بالا بياورند.شات کناري مي ايستد و مانند کودکي که مي خواهد هديه اي را باز کند انگشتانش مي جنبد.
ديگر دانشمندان پروژه ي LUX هم منتظر لحظه ي حساس اند و من راهم را به سوي پنجره ي کناري، جايي که دانشجويان جمع شده اند، باز مي کنم.وقتي قوطي به بالا نزديک مي شود، زمزمه ها ساکت مي شوند.اسکلت به خوبي به درون جايش مي لغزد.اما در فاصله اي کمتر از 2 سانتي متر از گنبد، که قطوي بايد سرانجام در جايش قفل شود، گير مي کند.شات و گروهش سعي مي کنند رهايش کنند و همچنين سعي مي کنند با زورآن را جا بيندازند، اما از جايش تکان نمي خورد.فيزيک دانان تصور مي کنند که شايد ابعاد قوطي يا شکل اسکلت ناجور است.علي رغم اين شکست آشکار، جسورانه براي گرفتن چند عکس ژست مي گيرند!سپس به دقت قوطي را به درون حفره باز مي گردانند.فردا دوباره تلاش خواهند کرد.
هيچ کس نمي داند ماده ي تاريک چيست يا اين که آيا اصلا وجود دارد يا خير.فعلاً فقط داراي جايگاه است؛«ايکسي»که بايد در محاسبات مختلف وارد شود تا رصدهاي نجومي با قوانين فيزيک نيوتني هماهنگ شوند.اين نام پيشنهاد فريتس زوييکي، اخترشناس سويسي، بود که در سال 1933/1312 از دو روش تثبيت شده براي محاسبه ي جرم خوشه ي گيسو -گروهي شامل بيش از هزار کهکشان -استفاده کرد.يکي از محاسبات بر اساس شواهدي از حرکت هشت کهکشان در اين خوشه و با بهره گيري از قانون دوم نيوتن انجام شد.بر طبق اين قانون، هرچه کهکشان بزرگ تر باشد سريع تر به دور خود مي چرخد. محاسبه ي ديگر، جرم کلي خوشه را با مشخص سازي مقدار نور گسيل شده از ستاره هايش تخمين زد.هر دو نتيجه بايد مساوي مي بود اما عدد به دست آمده در محاسبه ي حرکت-محور يک مرتبه ي بزرگي بيشتر بود.کهکشان هاي خوشه ي گسيو بسيار سريع تر از چيزي مي چرخيدند که بر اساس ميزان کل نور گسيل شده از خوشه پيش بيني مي شد.براي اين که معادله ي نيوتني هم پاسخ يکساني به دست بدهد، بايد جرم بيشتري وجود مي داشت.زوييکي اين توده ي گم شده را «ماده ي تاريک»ناميد.
امروزه، اغلب (ولي نه همه ي)فيزيک دانان موافق اند که ماده ي تاريک وجود دارد، و اين که احتمالاً چيزي ساخته شده است که دانشمندان آن را ويمپ ها (WIMPS)يا «ذرات پُرجرم با بر هم کنش ضعيف»مي نامند.«پُرجرم»به اين معنا نيست که اين ذرات بزرگ اند بلکه به اين معناست که جرم دارند و بنابراين هم موجب کششي گرانشي مي شوند و هم به کشش گرانش واکنش نشان مي دهند.«با برهم کنش ضعيف»يعني که اين ذرات، با وجود داشتن جرم، به ندرت با ماده برهم کنشي دارند.دانشمندان همچنين فرض مي کنند که ويمپ ها از نظر الکترومغناطيسي خنثي هستند و به همين سبب هم آن ها را نمي بينيم.در واقع، تا به حال همه ي بحث ها بر سر وجود ماده ي تاريک بر اساس استنتاج بوده است.هيچ کس تا به حال آن ها را مستقيم رصد نکرده است.بسياري از دانشمندان، از جمله خانم رابين، به نظريه ي ويمپ ها و البته در برخي موارد نسبت به خود مفهوم ماده ي تاريک مشکوک اند؛ آن ها بر اين باورند که شايد مسئله فقط اين است که فيزيک نيوتني نمي تواند چگونگي حرکت ها را در مقياس کهکشاني توضيح دهد.وقتي از دَن اَکريب، همکار شات در دانشگاه کيس وسترن و يکي از پژوهش گران اصلي در پروژه LUX، پرسيدم که چرا ويمپ ها محبوب ترين نامزدهاي اين موضوع اند موضع علمي استانداري گرفت و گفت:«نظريه ي ويمپ ها فقط بهترين نظريه ي رايج است.علت شايد اين باشد که جست و جو به دنبال ويمپ ها کمتر از چيزهاي ديگر احمقانه است!».
اينجاست که LUX و ديگر پروژه هاي هم تراز، که وجود ويمپ ها را حتمي فرض مي کنند، وارد ميدان مي شوند.وقتي اخترشناسان شواهد ماده ي تاريک را در عالم يافتند به نظر مي رسيد که به طور نايکنواختي توزيع شده است.اين ماده از نظر گرانشي مانند ماده ي معمولي رفتار مي کند:يعني کنار هم توده مي شود.نظريه پردازان ماده ي تاريک در حال حاضر بر اين باورند که ماده ي تاريک در ابرهايي کروي به دور اغلب کهکشان ها متمرکز شده است.وقتي منظومه ي شمسي ما درون راه شيري مي گردد، هر دوشان درون يکي از همين ابرها در حرکت اند و ذرات درون اين ابر-يعني ويمپ ها-از ميان زمين و هرچيز روي آن با سرعتي که فيزيک دانان آن را حدود 100 هزار عدد در سانتي متر مربع در ثانيه تخمين مي زنند عبور مي کنند.فيزيک دانان پروژه ي LUX و ديگر پروژه هاي مشابه اميدوارند که در بررسي هاي خود سرانجام ويمپي را به دام بيندازند.اين آشکارسازهاي ديگر نيز زيرزمين، در معدن ها يا مجراهاي آب متروک يا زيرکوه ها، قرار دارند تا از دريافت ديگر ذرات کيهاني،که ممکن است با ويمپ ها اشتباه گرفته شوند، درامان باشند.در برخي از اين آشکارسازها ماده ي آشکارساز ژرمانيوم است و در برخي ديگر، مانند LUX ، زنون مايع اين کار را انجام مي دهد.
اغلب ويمپ ها با ماده ي آشکارساز برخورد نمي کنند اما بر اساس نظريه پردازي هاي شات و اَکريب در هر سال حدود سه يا چهار ويمپ بايد با هسته ي يکي از 1/6 اُکتيليون (27 10×1/6)اتم زنون در مخزن LUX برخورد کنند!وقتي چنين برخوردي صورت بگيرد دو درخش نور ناچيز گسيل مي شود که اين نخستين مدرک مستقيم از وجود ماده ي تاريک خواهد بود.
قوطي هنوز جا نمي رود؛ حتي بعد از يک روز کامل ديگر بلند کردن و تنظيم کردن.بنابراين شات از من خواسته که او و يکي از دانشجويان را به فروشگاه ابزارفروشي در شهر ببرم.حالا برنامه اين است که درزِ تقريباً نامرئي حاصل از جوشکاري نزديک تهِ قوطي را سوهان بزنيم زيرا دانشمندان فکر مي کنند به اسکلت گير مي کند.براي اين کار، شات به ابزار سوهان دَوّاري با سَرمتّه هاي الماس دار نياز دارد.ظاهراً زياد هم پريشان نشده از اين که مي بيند آشکارساز سه ميليون دلاري اش، که قرار است ماهيت حقيقي عالم را مشخص کند، معطّل خريدن ابزاري 80 دلاري شده است!
در فروشگاه، فروشندگان خوش برخورد آماده بودند هر طور مي توانند به ما دريافتن ابزار مورد نيازمان کمک کنند.داستان هايي را که از فيزيک دانان شنيده بودم به چشم ديدم.اين که مردم اين شهر اين پروژه ي عظيم فيزيکي را، که زير شهرشان در جريان است، عاشقانه دوست دارند.آن ها هرجا که مي شود به فيزيک دانان نزديک مي شوند-در رستوران، سبزي فروشي، پمپ بنزين، و استخر-تا بگويند که براي هر کمکي حاضرند.وقتي شات برنامه ي سخنراني اي درباره ي ماده ي تاريک برگزار کرد بيش از 100 نفر در برنامه شرکت کردند.مرکز توريستي شهر تي شرت هايي با لوگوي پروژه ي LUX و اين عبارت مي فروشد:«کارکشته ها دنبال ويمپ ها مي گردند».
رقيبان گروه LUX، هر چند در برخي موارد بسيار در پروژه ي خود جلوترند، مشکلات خاص خود را هم دارند، يکي از اين پروژه ها، به نام جست و جوي سرمايشي ماده ي تاريک 2، در معدن آهن متروکي در مينه سوتا قرار دارد.فيزيک دانان آن مرکز در زمستان سال 1388 اعلام کردند که فکر مي کنند علائمي از دو ويمپ را آشکار کرده اند.البته معلوم شد که هر دو اشتباه بوده است اما آن ها آشکارساز بزرگ تري، به نام سوپر سي.دي.اِم.اِس، را به خدمت گرفتند و دوباره مشغول شدند.رقيب بعدي، به نام زنون 100، زير کوه هاي گران ساسو در مرکز ايتاليا قرار دارد و مشغول کار است.همان طور که نامش نشان مي دهد در اين آشکار ساز نيز از فناوري اي مشابه پروژه ي LUX استفاده مي کنند.اما مخزن آشکارساز پروژه ي زنون 100 بسيار کوچک تر از پروژه ي LUX و نيز کمتر از آن حساس است.تا به حال که چيزي آشکار نکرده است.
همه ي اين تلاش ها پرهزينه اند و بنابراين جست و جو به دنبال ماده ي تاريک در هر شهري که انجام مي شود تا حدودي منجر به شکوفايي و توسعه ي انجا شده است.مثلاً در همين شهر ليد وجود اين تجهيزات موجب رونق بازار مسکن، خلق بازار کار جديد، رشد رستوران ها و فروشگاه ها، و استخدام شدن صدها نفر از مردم محلي-از کارگران سابق معدن تا زمين شناس و مدير منابع انساني-شده است.و تازه اين آزمايشگاه فعلاً فقط بخش نخست پروژه ي DUSEL است که تا به حال 47/3 ميليون دلار از منابع ايالتي و 70 ميليون دلار از اهداکنندگان خصوصي بودجه دريافت کرده است و پيش بيني مي شود بيش از 875 ميليون دلار هم از دولت آمريکا دريافت کند.اين بودجه کمک مي کند که 595 کيلومتر تونل هاي معدن هُم استيک و زمين هاي سطح را به مجموعه ي DUSEL تبديل کنند:مجموعه اي از آزمايشگاه هاي فيزيک از جمله آزمايشگاه هاي نسل بعدي LUX که هم اکنون طراحي شده اند و مخزن هاي زِنون بسيار بزرگ تري خواهند داشت که به اين ترتيب احتمال به دام افتادن ويمپ ها افزايش پيدا مي کند.
قرار است DUSEL هم، مانند شرکت حفاري هُم استيک درگذشته، ليد را به شهر اين شرکت تبديل کند.هم استيک فقط کارفرمايي بزرگ در شهر نبود بلکه بر همه ي ديگر جنبه هاي زندگي در اين شهر هم تاثير گذاشته بود.به گفته ي تام نلسون، شهردار ليد که پدربزرگ، پدر، و برادرش در اين معدن کار کرده اند:«اگر شهر ليد چيزي لازم است، هُم استيک آن را مي ساخت.آن ها سامانه ي آب شهر را ساختند، برق را به اين شهر آوردند، راه آهن، بيمارستان، مراکز تفريحي، فروشگاه ها، بانک و همه چيز اين شهر را آن ها فراهم کردند».البته قرار نيست پروژه DUSEL کلينيک يا بانک شهر را اداره کند اما حضورش در اينجا پول و شغل را به اين شهر مي آورد.دني استنفورد، يکي از خيّرين، 20 ميليون دلار از 70 ميليون دلار اهدايي اش را براي احداث مرکز علمي-آموزشي کنار گذاشته که پژوهشگران DUSEL در آنجا سخنراني کنند و دانش آموزان به آزمايش هاي فيزيک در زيرزمين دسترسي داشته باشند.بودجه ي ساليانه ي اين پروژه 23 ميليون دلار است که بيش از نيمي آز آن در اين شهر هزينه مي شود.و حدود 70 نفر از کارمندان سابق معدن امروز در اداره ي علم و فناوري داکوتاي جنوبي مشغول به کارند؛ يعني همان اداره اي که براي تبديل معدن به آزمايشگاه هاي فيزيک ايجاد شده است.
فراتر از شهر ليد اجتماعي بزرگ تر وجود دارد-کلّ جامعه ي اخترفيزيک دانان و فيزيک دانان ذرات-که براي موفقيت اين پروژه تلاش مي کنند.بدون وجود ويمپ ها، مدل استاندارد فيزيک-نظريه اي که بر برهم کنش هاي همه ذرات زيراتمي
آشکارساز LUX چگونه کار مي کند
حتي با وجود اين که فيزيک دانان مخزن آشکارساز را با 340 کيلوگرم زنون مايع پُر مي کنند در طول سال براي شکار کردن چند ويمپ بايد دست به دعا بردارند.
وقتي يک ويمپ با يکي از هسته هاي زنون برخورد کند الکترون و امواج نور گسيل مي کند.نور را لوله هاي نورافزا در سقف و کف قوطي آشکار مي کنند، چند هزارم ثانيه بعدتر، الکترون ها به گاز زنون مي رسند و درخش دومي ايجاد مي کنند که 600 برابر اولي روشنايي دارد.
نويزهاي آزاردهنده
در اين نشاني اينترنتي مي توانيد اطلاعات بيشتري درباره ي اين پروژه به دست آوريد و عکس هاي بسياري از مراحل مختلف کار ببينيد:
www.sanfordundergroundlaboratoryathomestake.org شناخته شده حاکم است-ضعيف مي شود و دانشمندان بايد در فرضيات خود درباره ي فيزيک زيراتمي تجديد نظر کنند و بدون داشتن مدرکي محکم از وجود ماده ي تاريک، فهم ابتدايي ما از ترکيبات عالم از هم مي پاشد.شات مي گويد:«اگر سرانجام علوم شود که ماده ي تاريک از ويمپ ها ساخته نشده است، بيشتر از جنبه ي فلسفي نااميد کننده است تا از جنبه ي شخصي؛ زيرا انسان هرگز نخواهد فهميد که ماده ي تاريک چيست.ما کاملاً خود را آماده کرده ايم که ويمپ ها را ما پيدا نکنيم و ديگر رقبا آن را بيابند.اما اگر کل جامعه ي فيزيک دريافتن اين ذره ي مرموز ناکام بماند بسيار نااميد کننده خواهد بود».
اما روز کامل ديگري هم گذشت و قوطي هنوز جا نمي رود.البته اين بار در آن سوي پنجره ام و يکي از آن روپوش هاي اتاق تميز را به تن دارم.من و شات به درون حفره مي رويم، جيمز وايت، يکي ديگر از اعضاي پروژه، آنجا با سوهان جديد مشغول است.من انتظار نداشتم که به کارگرفته شوم!گوش هايم زنگ مي زنند.وارد حفره مي شوم،سوهان را به دستم مي دهد و درزي را نشان مي دهد که ساييده است.بخشي که من بايد روي آن کار کنم جلوتراست و بايد پايين تر بروم.دراين بخش حفره فقط يک نفر جا مي شود.فضاي تنگي است.روي زانوها و بازوهايم خم مي شوم، حالتي که نمي توانم خيلي به آن صورت بمانم و خسته مي شود.يکي از دانشجويان نوري روي من مي تاباند و گاه گاه عکسي از من مي گيرد.درز برآمده را با انگشتان پوشيده در دست کش لمس مي کنم.باورم نمي شود که چيزي به اين کوچکي چنين مشکلات بزرگي را پديده آورده باشد.سوهان را محکم سرجاي مشخص نگاه داشتم و شروع کردم.جرقه ها به سويم مي پاشيد.صدايش کر کننده بود.
حالا پروژه ي LUX حدود 95 درصد کامل شده است.
گروه در حال آماده شدن براي نخستين آزمايش ها هستند که طي آن قرار است آشکارساز پُر از زنون را به درون مخزني 244 هزار ليتري دو طبقه پايين تر از آزمايشگاه انتقال دهند تا ببينند چگونه کار مي کند.گام بعدي ايجاد تشکيلات زيرزميني LUX در عمق 1480 متري در زمستان آينده و بعد آغازِ انتظار است؛ فيزيک دانان و مردم ليد اميدوارند که اين حفره ي عظيم زير شهر-که طي سال ها منبع درآمدشان بوده است-همچنان اقتصاد اين شهر را پايدار نگاه دارد و در ضمن شايد راز درک عالم را فاش کند.
