بیگ بنگ: ساعت اتمی جستجو برای ذرات فوق‌سبک و مطالعه ماده تاریک را در آزمایشگاه امکان‌پذیر می‌سازد. دانشمندان از ساعت‌های اتمی برای بررسی برخی از بزرگترین اسرار کیهان، از جمله ماهیت ماده تاریک، در آزمایشگاه استفاده می‌کنند. در این فرآیند، آنها می‌گویند که کیهان‌شناسی و اخترفیزیک را به زمین می‌آورند.
این پروژه که با همکاری دانشگاه ساسکس و آزمایشگاه ملی فیزیک(NPL) در بریتانیا انجام می‌شود، از این ساعت‌های فوق‌العاده دقیق برای شکار ذرات فوق‌سبک تاکنون ناشناخته، استفاده می‌کند. این ذرات می‌توانند به ماده تاریک متصل شوند. ماده تاریک، ماده اسرارآمیزی است که طبق تخمین ۸۵ درصد از کل جرم کیهان را تشکیل می‌دهد، اما برای ما نامرئی است. زیرا با نور یا تابش الکترومغناطیس، برهم‌کنش ندارد. دانشمندان بر این باورند که بیشتر کهکشان‌ها توسط ابری از ماده تاریک احاطه شده‌اند، اما حضور آن را تنها می‌توان با تاثیر گرانشی، استنباط کرد.
“خاویر کالمت” سرپرست پروژه و استاد فیزیک در دانشگاه ساسکس گفت: «جهان ما آن‌طور که می‌شناسیمش، توسط قوانین فیزیک اداره می‌شود، بنابراین گرانش توسط نسبیت عام و فیزیک ذرات توسط مدل استاندارد فیزیک ذرات کنترل می‌شود. ما انحرافات از این قوانین را «شکست در فیزیک» می‌نامیم؛ اساسا، این مترادف فیزیک جدید فراتر از درک فعلی ما از جهان است. این فیزیک جدید می‌تواند برای توضیح ماهیت ماده تاریک مورد استفاده قرار گیرد، چیزی که در مدل استاندارد فیزیک نمی‌گنجد.»
“کالمت” ادامه داد: «یکی از بزرگترین رازها ماهیت ماده تاریک است. ما می‌دانیم که وجود دارد، تاثیر آن را در جهان خود می‌بینیم، اما توضیح معتبری در مدل استاندارد فیزیک ذرات برایش نداریم. باید فیزیک جدیدی وجود داشته باشد، اما نمی‌دانیم چگونه این ذرات جدید را توصیف کنیم و چگونه آنها را به آنچه از ماده می‌دانیم، متصل کنیم.»
طبق قوانین فیزیک، ساعت باید با تیک‌تاک ثابتی حرکت کند، اما فیزیک فراتر از محدوده مدل استاندارد، بارهای کوچکی در سطوح انرژی اتمی ایجاد می‌کند. این باید بر سرعت تیک‌تاک ساعت‌ها تاثیر بگذارد، اما این تغییرات آن‌قدر کم است که فقط با یک ساعت فوق‌العاده دقیق قابل تشخیص است و این‌جاست که ساعت‌های اتمی وارد می‌شوند.
“کالمت” گفت: «ساعت‌های اتمی کیهان‌شناسی و اخترفیزیک را به زمین می‌آورند و امکان جستجو برای ذرات فوق‌سبک را می‌دهند که می‌توانند ماده تاریک را در آزمایشگاه توضیح دهند.» ساعت‌های اتمی زمان را با استفاده از اتم‌هایی با دو حالت انرژی پتانسیل اندازه‌گیری می‌کنند. وقتی اتم‌ها انرژی جذب می‌کنند، به سطح انرژی بالاتر می‌روند. سپس، آنها در نهایت این انرژی را آزاد می‌کنند و به سطح انرژی پایین‌تر برمی‌گردند.
در ساعت‌های اتمی، گروه‌هایی از اتم‌ها با قرار گرفتن در یک سطح انرژی بالاتر با استفاده از انرژی مایکروویو آماده می‌شوند و نرخ مشخصه و ثابتی که در آن بین سطوح ارتعاش دارند – فرکانس‌های تشدید – برای اندازه‌گیری دقیق زمان استفاده می‌شود. برای مثال، تمام اتم‌های سزیم در یک فرکانس تشدید می‌شوند، به این معنی که اندازه استاندارد یک ثانیه را می‌توان به شکل ۹،۱۹۲،۶۳۱،۷۷۰ سیکل سزیم تعریف کرد. از آن‌جا که این چرخش در ثانیه با تغییرات بسیار کمتری نسبت به مثلا چرخش آونگ اتفاق می‌افتد، ساعت‌های اتمی را فوق‌العاده دقیق می‌کند.
“کالمت” توضیح داد: «به‌تازگی دریافته‌ایم که ماده تاریک می‌تواند از ذرات فوق سبکی ساخته شده باشد که با ماده معمولی تعامل به شدت ضعیفی دارند. اگر این‌طور باشد، ماده تاریک اساسا مانند یک موج کلاسیک رفتار می‌کند که با الکترون‌ها و پروتون‌ها در تعامل است. این موج ماده تاریک، چند ضربه کوچک به این ذرات وارد می‌کند.»
“کالمت” افزود که این امر منجر به تغییر زمانی در ثابت‌های بنیادی جهان، مانند ثابت «آلفا» می‌شود که معیاری برای جفت شدن ذرات قوی از طریق نیروی الکترومغناطیسی و جرم پروتون است. از آن‌جایی که ساعت‌های اتمی دستگاه‌های بسیار دقیقی هستند، می‌توانند این ضربات را تشخیص دهند.
وی افزود: «با مقایسه دو ساعت که یکی نسبت به تغییرات آلفا حساس است و دیگری نسبت به تغییرات آلفا حساسیت کمتری دارد، می‌توانیم محدودیتی در تغییرات زمانی این ثابت بنیادی به دست آوریم.»
“کالمت” فکر می‌کند که این تکنیک به طور بالقوه می‌تواند برای بررسی جنبه مشکل‌ساز دیگری از جهان برای فیزیکدانان نیز مورد استفاده قرار گیرد: انرژی تاریک، نیروی ناشناخته‌ای که انبساط پرشتاب کیهان را هدایت می‌کند. این نتایج قرار است در نسخه بعدی مجله New Journal of Physics منتشر شود.
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: space.com
دیدگاهتان را بنویسید