هسته‌های آنتی هلیوم به عنوان پیام‌رسان از اعماق کهکشان

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، کهکشان‌ها چگونه متولد می‌شوند و چه چیزی آن‌ها را کنار هم نگه می‌دارد؟ ستاره شناسان فرض می‌کنند که ماده تاریک نقش اساسی ایفا می‌کند. با این حال، هنوز امکان اثبات مستقیم وجود ماده تاریک وجود نداشته است. یک تیم تحقیقاتی شامل دانشمندان دانشگاه فنی مونیخ (TUM) اکنون برای اولین بار میزان بقای هسته‌های پاد هلیوم را از اعماق کهکشان اندازه‌گیری کرده‌اند که پیش نیاز ضروری برای جستجوی غیرمستقیم ماده تاریک است.

چیز‌های زیادی به وجود ماده تاریک اشاره می‌کند. روشی که کهکشان‌ها در خوشه‌های کهکشانی حرکت می‌کنند، یا سرعتی که ستارگان در مرکز یک کهکشان می‌چرخند، به محاسباتی منجر می‌شود که نشان می‌دهد جرم موجود باید بسیار بیشتر از آن چیزی باشد که ما می‌بینیم. به عنوان مثال، تقریباً ۸۵ درصد راه شیری ما از ماده‌ای تشکیل شده است که قابل مشاهده نیست و تنها بر اساس اثرات گرانشی آن قابل تشخیص است. تا امروز، هنوز امکان اثبات مستقیم وجود این ماده وجود نداشته است.

چندین مدل نظری از ماده تاریک پیش‌بینی می‌کنند که می‌تواند از ذراتی تشکیل شده باشد که برهمکنش ضعیفی با یکدیگر دارند. این هسته‌های آنتی هلیوم ۳ را تولید می‌کند که از دو آنتی پروتون و یک آنتی نوترون تشکیل شده است. این هسته‌ها همچنین در برخورد‌های پرانرژی بین تشعشعات کیهانی و مواد معمولی مانند هیدروژن و هلیوم ایجاد می‌شوند - البته با انرژی‌هایی متفاوت از انرژی‌هایی که در برهمکنش ذرات ماده تاریک انتظار می‌رود.

در هر دو فرآیند، پادذرات از اعماق کهکشان، چند ده هزار سال نوری دورتر از ما سرچشمه می‌گیرند. پس از ایجاد آنها، بخشی از آن‌ها به سمت ما راه می‌یابد. اینکه چه تعداد از این ذرات بدون آسیب از این سفر جان سالم به در می‌برند و به عنوان پیام رسان فرآیند تشکیل خود به مجاورت زمین می‌رسند، شفافیت کهکشان راه شیری را برای هسته‌های ضد هلیوم مشخص می‌کند. تاکنون دانشمندان تنها توانسته‌اند این مقدار را تقریباً تخمین بزنند.

با این حال، تقریب بهبود یافته شفافیت، یک واحد اندازه گیری برای تعداد و انرژی پاد هسته ها، برای تفسیر اندازه گیری‌های آنتی هلیوم در آینده مهم خواهد بود.

** شتاب دهنده ذرات LHC به عنوان کارخانه ضد ماده

محققان همکاری ALICE اکنون اندازه گیری‌هایی را انجام داده اند که آن‌ها را قادر می‌سازد تا برای اولین بار شفافیت را با دقت بیشتری تعیین کنند. ALICE مخفف A Large Ion Collider Experiment است و یکی از بزرگترین آزمایشات در جهان برای کشف فیزیک در مقیاس‌های کوچکترین طول است. آلیس بخشی از برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سرن است.

LHC می‌تواند مقادیر زیادی ضد هسته نوری مانند آنتی هلیوم تولید کند. برای انجام این کار، پروتون‌ها و اتم‌های سرب هر کدام در مسیر برخورد قرار می‌گیرند. این برخورد‌ها باعث ایجاد باران ذرات می‌شود که سپس توسط آشکارساز آزمایش ALICE ثبت می‌شود. به لطف چندین زیرسیستم آشکارساز، محققان می‌توانند هسته‌های آنتی هلیوم-۳ را که تشکیل شده‌اند شناسایی کرده و مسیر‌های آن‌ها را در مواد آشکارساز دنبال کنند. این امر امکان کمی سازی احتمال برهمکنش هسته آنتی هلیوم-۳ با ماده آشکارساز و ناپدید شدن را فراهم می‌کند. دانشمندان TUM و Excellence Cluster ORIGINS کمک قابل توجهی به تجزیه و تحلیل داده‌های تجربی کرده اند.

** کهکشان شفاف برای ضد هسته

با استفاده از شبیه سازی، محققان توانستند یافته‌های آزمایش ALICE را به کل کهکشان منتقل کنند. نتیجه: حدود نیمی از هسته‌های آنتی هلیوم-۳ که انتظار می‌رفت در برهمکنش ذرات ماده تاریک ایجاد شوند، به مجاورت زمین خواهند رسید؛ بنابراین کهکشان راه شیری ما ۵۰ درصد برای این ضد هسته‌ها نفوذپذیر است. برای پاد هسته‌های تولید شده در برخورد بین تابش کیهانی و محیط بین ستاره ای، شفافیت حاصل از ۲۵ تا ۹۰ درصد با افزایش تکانه آنتی هلیوم-۳ تغییر می‌کند. با این حال، این پاد هسته‌ها را می‌توان از آن‌هایی که از ماده تاریک تولید می‌شود بر اساس انرژی بالاترشان متمایز کرد.

این بدان معناست که هسته‌های پادهلیوم نه تنها می‌توانند مسافت‌های طولانی را در کهکشان راه شیری طی کنند، بلکه می‌توانند به عنوان خبررسان مهم در آزمایش‌های آینده نیز عمل کنند: بسته به اینکه چه تعداد پاد هسته به زمین می‌رسند و با چه انرژی‌هایی، منشأ این پیام‌رسان‌های خوش سفر می‌تواند باشد. به لطف محاسبات جدید به عنوان پرتو‌های کیهانی یا ماده تاریک تفسیر شده است.

** مرجع برای اندازه گیری ضد هسته‌های آینده در فضا

پروفسور لورا فابیتی، دانشمند ORIGINS از دانشکده علوم طبیعی TUM، می‌گوید: «این یک مثال عالی از یک تحلیل بین‌رشته‌ای است که نشان می‌دهد چگونه اندازه‌گیری در شتاب‌دهنده‌های ذرات می‌تواند مستقیماً با مطالعه پرتو‌های کیهانی در فضا مرتبط باشد». نتایج آزمایش ALICE در LHC برای جستجوی پادماده در فضا با ماژول AMS-۰۲ (طیف‌سنج مغناطیسی آلفا) در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) اهمیت زیادی دارد. از سال ۲۰۲۵، آزمایش بالن GAPS بر روی قطب شمال نیز پرتو‌های کیهانی ورودی را برای آنتی هلیوم-۳ بررسی خواهد کرد.