پژوهش جدید نشان میدهد که اگر ماده تاریک از «فوتونهای تاریک» تشکیل شده باشد، کیهان اولیه را آنگونه که دانشمندان پیشتر تصور میکردند گرم نمیکرده است. اگر این یافته درست باشد، این کشف میتواند یک تغییر پارادایمی در جستجوی اسرارآمیزترین ماده جهان باشد.
ماده تاریک چنان گریزان است که با وجود سنگینتر بودن از ماده معمولیِ سازنده ستارگان، سیارات، قمرها و بدن ما به نسبت پنج به یک، عملاً نامرئی است. این به این دلیل است که با نور برهمکنش ندارد. و این واقعیت که الکترونها، پروتونها و نوترونها با نور (یا به عبارت دقیقتر، تابش الکترومغناطیسی) برهمکنش دارند، الهامبخش جستجو برای ذرات فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات بوده است و به گزینههای فرضی زیادی برای ماده تاریک منجر شده است.
یکی از این گزینهها فوتون تاریک است، نسخه جهان تاریک از فوتون که نیرویی غیر از الکترومغناطیس را حمل میکند، که مسئولیت آن بر عهده فوتونهای استاندارد است.
وقتی در گذشته فوتونهای تاریک در نظر گرفته میشدند، دانشمندان به این نتیجه رسیده بودند که آنها در حالی که هنوز در سوپ غلیظ و چگالی که کیهان اولیه را پر کرده بود، به فوتونهای معمولی تبدیل میشدند. این امر این پلاسما را که از قبل به شدت داغ بود، بیشتر گرم میکرد و ردپاهای قابل تشخیصی از فوتونهای تاریک باقی میگذاشت.
این امر پارامترهای جستجو را که فوتونهای تاریک میتوانستند در آن وجود داشته باشند به شدت محدود میکند، به طوری که بسیاری از مشاهدات کیهانشناختی وجود فوتونهای تاریک را رد میکنند.
اکنون، شبیهسازیهای رایانهای جدید نشان میدهد که رد کردن فوتونهای تاریک ممکن است کمی شتابزده بوده باشد. تبدیل فوتونهای تاریک به فوتونها قبل از اینکه گرمایش قابل توجهی رخ دهد، متوقف میشده است.
این امر پارامترهای جستجوی قبلاً حذفشده را دوباره وارد بازی میکند.
«این حذفها میگفتند که قدرت ماده تاریک باید ۱۰^۸ برابر ضعیفتر از آنچه واقعاً میتواند باشد، باشد»، آنسون هوک، عضو تیم از دانشگاه مریلند، در بیانیهای گفت. «این مقاله امکانات جدید زیادی را برای جستجوی ماده تاریک باز میکند.»
تیم پشت این پژوهش ابتدا زمانی نشانههایی از اینکه تبدیل فوتونهای تاریک به فوتونها ممکن است به سادگی آنگونه که دانشمندان فرض کرده بودند نباشد، مشاهده کرد که متوجه شد مقدار انرژی درگیر به طور مشکوکی زیاد است. مشکلی که آنها شروع به حدس زدن آن کردند، این واقعیت بود که این فرآیند خطی در نظر گرفته شده بود؛ به عبارت دیگر، انرژی به تدریج و پیوسته آزاد میشود و به پلاسما تبدیل میشود.
«رفتار در ۱۵ سال گذشته یک رفتار خطی بوده است. اگر از آن تقریب استفاده کنید، میتوانید مقدار انتقال انرژی را محاسبه کنید، و بسیار زیاد است»، جونو هوانگ، عضو تیم از مؤسسه پریمتر، در این بیانیه گفت. «و من متوجه شدم که این امکانپذیر نیست.»
هوانگ و همکارانش با انجام اولین شبیهسازیهای رایانهای خود متوجه شدند که فرآیند خطی تصویر کاملی را ارائه نمیدهد.
«چیزی که ما متوجه شدیم این است که، همانطور که انرژی را به پلاسمای مدل استاندارد تبدیل میکنید، پلاسما در واقع دیوانه میشود»، هوانگ گفت. «غیرخطیهای زیادی در سیستم وجود دارد، و این غیرخطیها اساساً تبدیل انرژی را پس از تبدیل مقدار کمی انرژی متوقف میکنند.»
این پژوهش نشاندهنده گسترش عمدهای در پارامترهایی است که فوتونهای تاریک میتوانند در آن وجود داشته باشند و این زمین شکار استعاری را به طور قابل توجهی گسترش میدهد. در واقع، میتواند بر جستجوی ذرات فرضی فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات نیز تأثیر بگذارد.
«با محاسبه صحیح پلاسمای کیهان اولیه، آزمایشها فضاهای پارامتری جدیدی را بررسی خواهند کرد و احتمالاً واقعاً چیزی خواهند دید»، محمد شلبی، عضو تیم از مؤسسه پریمتر، در این بیانیه گفت.
پژوهش این تیم در ۱۳ اوت در مجله Physical Review Letters منتشر شد.