آزمایش جدید اشعه ایکس می‌تواند معماهای اصلی فیزیک را حل کند
در جست‌وجوی ماده تاریک
تیمی از محققان نتایج یک جست‌وجوی جدید در مرکز لیزر الکترون آزاد اروپا (XFEL) در هامبورگ را برای یافتن ذره‌ای فرضی که ممکن است ماده تاریک جهان را تشکیل دهد، اعلام کرده‌اند. این آزمایش در یک مطالعه منتشر شده در Physical Review Letters توضیح داده شده است. این تیم شامل محققانی از دانشگاه آکسفورد، همراه با همکارانش در شورای تاسیسات علم و فناوری بریتانیا (STFC) و چندین آزمایشگاه دیگر است.
این آزمایش به دنبال آکسیون‌ها (ذرات ریز و فوق‌العاده سبک) می‌گردد، ذره‌ای که برای حل یک مشکل اصلی در فیزیک ذرات پیشنهاد شده بود: چرا نوترون‌ها، اگرچه از ذرات باردار کوچک‌تری به نام کوارک تشکیل شده اما دارای گشتاور دوقطبی الکتریکی نیست؟
برای توضیح این موضوع پیشنهاد شد که آکسیون‌ها، می‌تواند این عدم تعادل را «خنثی یا بی‌اثر» کند. در صورت مشاهده، این فرآیند شواهد مستقیمی برای فیزیک جدید فراتر از مدل استاندارد ارائه می‌دهد.
علاوه بر این، آکسیون‌ها یک کاندیدای طبیعی برای ماده تاریک است؛ ماده مرموز و اسرارآمیزی که بیشتر ساختار جهان را تشکیل می‌دهد.
محققان از بزرگ‌ترین و قدرتمندترین لیزر اشعه ایکس جهان استفاده کردند: لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس اروپایی (European XFEL) واقع در شنفلد در نزدیکی هامبورگ، آلمان. این مرکز دارای یک تونل به طول ۴/۳ کیلومتر است که شتاب‌دهنده خطی ابررسانا و خطوط پرتو فوتون را در خود جای داده است که امکان تولید فلاش‌های پرتو ایکس فوق کوتاه با سرعت ۲۷۰۰۰ در ثانیه را فراهم می‌کند.
این پرتوها از طریق صفحات نازک کریستال‌های ژرمانیوم با جهت‌گیری دقیق هدایت می‌شود که دارای یک میدان الکتریکی داخلی شدید است. برای ذرات متحرک، میدان الکتریکی به صورت یک میدان مغناطیسی قوی (10 تسلا) ظاهر می‌شود که فوتون‌ها را قادر می‌سازد تا به آکسیون تبدیل شود و دوباره به عقب برگردد.
یک ورقه تیتانیوم مات که بین کریستال‌ها قرار داده شده، به عنوان مانعی در برابر فوتون‌ها عمل می‌کند و فقط به آکسیون‌های مورد جست‌وجو اجازه عبور می‌دهد. پس از تبدیل شدن مجدد به فوتون در کریستال طرف دیگر، اینها شناسایی می‌شود. این روش به عنوان تکنیک «درخشش نور از طریق دیوار» شناخته می‌شود.
در این مطالعه اثبات اصل، محققان نشان دادند که تنظیمات آنها نسبت به آکسیون‌ها حساس است که در حال حاضر با آزمایش‌های دیگر با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذرات رقابت می‌کند. این یافته‌ها راه را برای آزمایش‌های آینده هموار می‌کند که در آن محققان بر روی آکسیون‌ها در محدوده جرمی میلی تا کیلو الکترون ولت تمرکز خواهد کرد. هدف آنها بهبود حساسیت با ضریب چند صدم است تا بتوانند آکسیون‌ها را با ویژگی‌های پیش‌بینی شده توسط نظریه کرومودینامیک کوانتومی تشخیص دهند.
دکتر جک هالیدی، فیزیکدان تجربی پلاسما در STFC، و نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: «این آزمایش بر تطبیق‌پذیری فناوری XFEL در پرداختن به برخی از چالش‌برانگیزترین سوالات در فیزیک بنیادی و پیش بردن مرزهای درک ما از جهان تاکید می‌کند.»
پروفسور جیانلوکا گرگوری، محقق اصلی این پژوهش می‌گوید: «این مطالعه اوج همکاری طولانی‌مدت در گروه فیزیک آکسفورد بین من (متخصص در فیزیک اتمی و لیزر)، پروفسور سوبیر سرکار (متخصص در فیزیک نظری) و پروفسور فقید ایان شیپسی (مسئول تفسیر این آزمایش و انجام اندازه‌گیری‌های دشوار و غیرممکن آن) است. به لطف تخصص گسترده‌ای که توسط چنین تیمی گرد هم آمده بود، ما توانستیم با موفقیت به آن رسیدگی کنیم.»
برای توضیح این موضوع پیشنهاد شد که آکسیون‌ها، می‌تواند این عدم تعادل را «خنثی یا بی‌اثر» کند. در صورت مشاهده، این فرآیند شواهد مستقیمی برای فیزیک جدید فراتر از مدل استاندارد ارائه می‌دهد.
علاوه بر این، آکسیون‌ها یک کاندیدای طبیعی برای ماده تاریک است؛ ماده مرموز و اسرارآمیزی که بیشتر ساختار جهان را تشکیل می‌دهد.
محققان از بزرگ‌ترین و قدرتمندترین لیزر اشعه ایکس جهان استفاده کردند: لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس اروپایی (European XFEL) واقع در شنفلد در نزدیکی هامبورگ، آلمان. این مرکز دارای یک تونل به طول ۴/۳ کیلومتر است که شتاب‌دهنده خطی ابررسانا و خطوط پرتو فوتون را در خود جای داده است که امکان تولید فلاش‌های پرتو ایکس فوق کوتاه با سرعت ۲۷۰۰۰ در ثانیه را فراهم می‌کند.
این پرتوها از طریق صفحات نازک کریستال‌های ژرمانیوم با جهت‌گیری دقیق هدایت می‌شود که دارای یک میدان الکتریکی داخلی شدید است. برای ذرات متحرک، میدان الکتریکی به صورت یک میدان مغناطیسی قوی (10 تسلا) ظاهر می‌شود که فوتون‌ها را قادر می‌سازد تا به آکسیون تبدیل شود و دوباره به عقب برگردد.
یک ورقه تیتانیوم مات که بین کریستال‌ها قرار داده شده، به عنوان مانعی در برابر فوتون‌ها عمل می‌کند و فقط به آکسیون‌های مورد جست‌وجو اجازه عبور می‌دهد. پس از تبدیل شدن مجدد به فوتون در کریستال طرف دیگر، اینها شناسایی می‌شود. این روش به عنوان تکنیک «درخشش نور از طریق دیوار» شناخته می‌شود.
در این مطالعه اثبات اصل، محققان نشان دادند که تنظیمات آنها نسبت به آکسیون‌ها حساس است که در حال حاضر با آزمایش‌های دیگر با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذرات رقابت می‌کند. این یافته‌ها راه را برای آزمایش‌های آینده هموار می‌کند که در آن محققان بر روی آکسیون‌ها در محدوده جرمی میلی تا کیلو الکترون ولت تمرکز خواهد کرد. هدف آنها بهبود حساسیت با ضریب چند صدم است تا بتوانند آکسیون‌ها را با ویژگی‌های پیش‌بینی شده توسط نظریه کرومودینامیک کوانتومی تشخیص دهند.
دکتر جک هالیدی، فیزیکدان تجربی پلاسما در STFC، و نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: «این آزمایش بر تطبیق‌پذیری فناوری XFEL در پرداختن به برخی از چالش‌برانگیزترین سوالات در فیزیک بنیادی و پیش بردن مرزهای درک ما از جهان تاکید می‌کند.»
پروفسور جیانلوکا گرگوری، محقق اصلی این پژوهش می‌گوید: «این مطالعه اوج همکاری طولانی‌مدت در گروه فیزیک آکسفورد بین من (متخصص در فیزیک اتمی و لیزر)، پروفسور سوبیر سرکار (متخصص در فیزیک نظری) و پروفسور فقید ایان شیپسی (مسئول تفسیر این آزمایش و انجام اندازه‌گیری‌های دشوار و غیرممکن آن) است. به لطف تخصص گسترده‌ای که توسط چنین تیمی گرد هم آمده بود، ما توانستیم با موفقیت به آن رسیدگی کنیم.»