دستگاه ODIN برای شناسایی ماده تاریک کم جرم با استفاده از هلیوم فوق‌سیال

گروهی از محققان استرالیایی دستگاهی به نام ODIN (ابزار اپتومکانیکی ماده تاریک) را پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند به دانشمندان اجازه دهد ماده تاریک با جرم کم را به طور مستقیم شناسایی کنند.

ماکسیم گوریچف، یکی از محققان و فیزیکدان دانشگاه وسترن استرالیا، می‌گوید: "متاسفانه، جرم کمتر به معنای سیگنال‌های ضعیف‌تر است که ابزارهای سنتی فیزیک ذرات را نامناسب می‌سازد."

ODIN اصول اپتومکانیک را با خواص هلیوم فوق‌سیال ترکیب می‌کند. در حالی که اولی علم ساخت دستگاه‌های نوری است، دومی یک فاز منحصر به فرد از هلیوم است که در دماهای بسیار پایین اتفاق می‌افتد.

در وضعیت فوق‌سیال، هلیوم خاصیت عدم ویسکوزیته را نشان می‌دهد که به آن اجازه می‌دهد بدون اصطکاک جریان یابد.

شکار ماده تاریک با ارتعاشات و هلیوم

نویسندگان مطالعه پیشنهاد می‌کنند که وقتی ذرات ماده تاریک با هلیوم فوق‌سیال در یک حفره اپتومکانیکی تعامل می‌کنند، منجر به اثر زنگ مکانیکی می‌شود. این اثر در واقع به عنوان ارتعاشات کوچک یا فنون‌ها تولید می‌شود.

ODIN بر اساس این اصل کار می‌کند که ذرات ماده تاریک فنون‌ها را در یک حفره اپتومکانیکی پراکنده می‌کنند. "با استفاده از نظریه میدان مؤثر، میزان پراکندگی ماده تاریک از فنون در یک حالت صوتی پرانرژی از حفره را محاسبه می‌کنیم،" نویسندگان مطالعه اشاره می‌کنند.

وقتی ماده تاریک به این امواج صوتی یا ارتعاش‌ها برخورد می‌کند، موج صوتی جدیدی در یک حالت آرام‌تر از حفره ایجاد می‌شود. سپس این موج صوتی جدید به نور (یک فوتون) با استفاده از لیزر تبدیل می‌شود.

این نور آسان برای تشخیص است و در نهایت به دانشمندان اجازه می‌دهد تا حضور ماده تاریک با جرم‌های بسیار کم را شناسایی کنند. نویسندگان مطالعه اضافه می‌کنند: "ما محدودیت‌های پیش‌بینی شده بر تعاملات ماده تاریک ـ‌ نوکلئون را برای جرم‌های ماده تاریک در دامنه 0.5 تا 300 keV محاسبه می‌کنیم."

تشخیص ماده تاریک با مقیاس keV دارای اهمیت بسیاری است زیرا دامنه ممکن از ذرات ماده تاریک را بررسی می‌کند که سبک‌تر و متفاوت‌تر از کاندیداهای سنگین‌تر مانند WIMPs (ذرات با تعامل ضعیف و پر جرم) رفتار می‌کنند.

برای مثال، این روش می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا حضور نوترینو‌های استریل ، خویشاوندان شبح‌وار نوترینو‌های معمولی، را تأیید کنند. در حال حاضر هیچ روش یا دستگاه شناخته شده‌ای نیست که بتواند این ذرات را شناسایی کند.

ODIN به شناسایی ماده تاریک محدود نیست

در حال حاضر، شناسایی ماده تاریک نیازمند آزمایشگاه‌های تخصصی با تجهیزات پرهزینه است. ODIN پتانسیل دارد از این محدودیت عبور کند.

نویسندگان مطالعه توضیح می‌دهند: "حساسیت ODIN به‌طور اولیه به چگالی فنون بستگی دارد و نه حجم هدف، در تضاد با سیستم‌های موجود. این ویژگی ممکن است امکان ارائه سنسورهای فشرده و کم‌هزینه را با توانایی انجام شناسایی قفل‌دار ماده تاریک با تهی کردن دوره‌ای حالت فنون فراهم کند."

علاوه بر این، طراحی دستگاه پیشنهادی تنها دارای یک حفره اپتومکانیکی است. ابزارهای با حفره‌های متعدد می‌توانند نتایج هیجان‌انگیزتری را به همراه داشته باشند.

به عنوان مثال، علاوه بر شناسایی کاندیداهای مختلف ماده تاریک، ODIN ممکن است در آینده برای شناسایی امواج گرانشی نیز استفاده شود.

نکته مهمی که باید به آن توجه داشت این است که مطالعه حاضر تنها یک چارچوب نظری از ODIN را به نمایش می‌گذارد و توضیح می‌دهد که چگونه می‌تواند با استفاده از اپتومکانیک و تعاملات فنون کار کند. گفته‌ای نشده است که آیا دستگاه در حال ساخت است یا در مرحله آزمایش قرار دارد.

مطالعه در مجله Physical Review D منتشر شده است.