ابعاد بالاتر پاسخی برای ماده تاریک؟

مترجم : فرهاد ذکاوت 

مادۀ تاریک احتمالا عجیب‌تر از آن است که پیشتر تصور می‌شد. این ادعایی‌ست که کیهان‌شناسانی با پیشنهاد ماده‌ای مرموز داده‌اند؛ ماده‌ای با بیش از 80 درصد سهم جرم عالم که با خودش اندرکنش دارد.

فلیپ تندو[1] استادیار دانشکده فیزیک و نجوم کالیفرنیا ریورساید در ادعایی چنین مطرح می‌کند: «در اقیانوسی از ماده تاریک زندگی می‌کنیم که هنوز از موجودیتش مقدار کمی آگاهی داریم.» رهیافت‌هایی که از طریق فیزیک شناخته شده مطرح می‌شوند چندان دوامی ندارند و برای همین تندو و تیمش از مدل‌های فرامعمول[2] استفاده می‌کنند تا شاید همخوانی بهتری با رصدها داشته باشند. سؤال‌شان را اینگونه طرح می‌کنند: اگر ماده تاریک با خودش به واسطۀ نیروهای که پیوسته بر فضا آنهم در ابعاد بالاتر و نه سه بعد شناخته شده، اندرکنش داشته باشد، چه خواهد شد؟ به نظر عجیب است ولی مدل این تیم توضیح بهتری برای رفتار ستارگان در کهکشان‌های کوچک به نسبت مدل‌های سادۀ ماده تاریک دارد. در نتیجه ارزش بررسی بیشتر را دارد.

کهکشان‌های کوچک، گرفتاری‌های بزرگ

تاکنون کیهان‌شناسان ماهیت مادۀ تاریک را نمی‌شناسند، ولی با چند ویژگی آن آشنا هستند. تمامی رصدها برآنند که مادۀ تاریک از نوع جدیدی از ماده تشکیل شده که برای فیزیک ناشناخته مانده. این ذره در هر کهکشانی سهمی بیش از 80 درصد جرم آن کهکشان را به خود اختصاص داده. این ذره به نظر نباید با فوتون اندرکنش زیادی داشته باشد (اگر اصلا اندرکنشی داشته باشد)؛ در غیر این صورت باید در رصدها آن را دیده باشیم. و نباید با مادۀ معمولی اندرکنش زیادی داشته باشد (اگر اصلا اندرکنش داشته باشد)؛ وگرنه باید در برخورد دهنده‌های ذرات آن را مشاهده می‌کردیم.

کیهان‌شناسان با در نظر گرفتن تمام این ویژگی‌ها می‌توانند شبیه‌سازی‌های تحول ساختارهای بزرگ در عالم را بسازند. این شبیه‌سازی‌ها در حالت کلی با رصدها در یک مورد جالب همخوانی دارند. این تصویر ساده از مادۀ تاریک پیش‌بینی می‌کند که کهکشان‌های کوچک باید چگالی‌های بسیار بالایی در مرکزشان داشته باشند (این مدل با نام تیزه‌[3] شناخته شده)، ولی رصدها نشان می‌دهند توزیع چگالی مادۀ تاریک تخت [چگالی ثابت] دارند، بنابراین این ماده باید در کهکشان کوچک یکنواخت پخش شده باشد (مدل مرکز[4]).

این مسأله با نام مرکز-تیزه، در پژوهش‌های ماده تاریک دهه‌هاست حل نشده. یک مدل خوب ماده تاریک باید رفتار کهکشان‌های بزرگ و کوچک را با دیگر رصدهای مادۀ تاریک توضیح دهد. چنین مدلی، مادۀ تاریک خوداندرکنش نامیده می‌شود و همانطور که  از نامش پیداست بر آن است که مادۀ تاریک گاه‌به‌گاه با خودش اندرکنش دارد؛ به این معنا که ذرات مادۀ تاریک می‌توانند گاهی به هم نیرو وارد کنند یا حتی همدیگر را نابود کنند. این خوداندرکنش مناطقی با چگالی‌های بالا در کهکشان‌های کوچک را با تبدیل هالۀ کم‌چگال به مرکز[پرچگال‌‌]متعادل کنند.

هستۀ مسأله

مشکل حل شد؟ به تحقیق خیر! مدل‌های ماده تاریک خوداندرکنش با دیگر رصدها ناهمخوانی‌هایی دارند؛ از آن جمله پدیده لنز گرانشی کهکشان‌ها (زمانی که گرانش ناشی از مقدار عظیمی از ماده مسیر نور کهکشان‌های زمینۀ این لنز گرانشی را منحرف کرده و آن را مانند ذره‌بین بزرگنمایی می‌کند.)؛ و مورد دوم به وجود آمدن کهکشان‌ها در عالم اولیه است.

با این حال، این مدل‌های همچنان در حال آزمایش بر پایۀ اندرکنش‌های فیزیکی در یکی از نیروهای چهارگانه طبیعت روی می‌دهند. الکترون‌ها با همدیگر تحت نیروی الکترومغناطیس اندرکنش دارند. ولی اگر همین فیزیک ساده را به دنیای مادۀ تاریک ببریم چندان جوابگو نیستند و شاید زمانش رسیده که به نیروی جدیدی فکر کنیم.

تندو و همکارانش چنین تلاشی کردند و کارشان در مقاله‌ای که اول ژوئن در ژورنال فیزیک انرژی‌های بالا منتشر کردند. این نظریۀ‌ جدید بستر بسیار مناسبی برای مدل‌های اندرکنش مادۀ تاریک و نقش نیروهای ناشناخته فراهم می‌کند. تندو چنین توصیف می‌کند:«هدف من از چنین پژوهشی در دو سال گذشته بسط ایده مادۀ تاریک به نیروهای تاریک بود. در طول دهه گذشته، فیزیکدانان از این ایده مانند مادۀ تاریک استقبال کردند. نیروهای تاریک پنهانی که بر اندرکنش‌های مادۀ تاریک حکم‌فرمایی می‌کنند.»

رهیافت تندو دو ویژگی شگرف دارد. نخست اینکه به جای ارتباط ذرات مادۀ تاریک از طریق یک نیروی واحد، این مدل طیفی نامحدود از نیروهای جدید که همگی کنار هم کار می‌کنند، در نظر می‌گیرد. دو اینکه به ابعاد بالاتر در عالم (مثلا فضای چهاربعدی) نیاز دارد.

فراتر از عالم

طیف نامحدود نیروها، هر کدام با ذره‌ای جدید و جرمی متفاوت از دیگری از خود رونمایی می‌کنند، منجر به انعطاف‌پذیری بسیاری برای نظریه‌پردازی دربارۀ چگونگی اندرکنش ذرات مادۀ تاریک می‌شود. تا زمانی که هیچ همزاد متضادی برای چنین نظریه‌ای در دنیای فیزیک وجود ندارد، اخترفیزیکدانان می‌دانند که مادۀ تاریک به ضرورت با قواعد عادی فیزیک نقش بازی نمی‌کند.

در نظریه‌های شناخته شدۀ فیزیک، وقتی دو ذره با یکدیگر اندرکنش دارند، ذره‌ای با عنوان «حامل انرژی»[5] بین آن‌ها رد و بدل می‌شود. برای مثال دو الکترون با تبادل فوتون‌ها (حامل نیروی الکترومغنایس) با همدیگر اندرکنش می‌کنند. ولی این نظریۀ جدید چنین تک اندرکنشی را با یک طیف یا اندرکنش‌های پیوستۀ مرتبط با هم جایگزین می‌کند.

تندو چنین ادعا می‌کند که: «پژوهش من یکی از فرض‌های ذرات بنیادی را در خود دارد: اندرکنش ذرات به‌وسیلۀ تبادل ذرات بیشتر. وقتی برای مادۀ معمولی چنین فرضی درست است، چرا برای مادۀ تاریک برقرار نباشد؟» اندرکنش‌های آن‌ها را می‌توان با تبادل پیوسته‌ای از ذرات را بجای فرض تبادل تک ذره توصیف کرد.

این تیم پژوهشی برای گنجاندن ابعاد اضافه از ترفند مورد استفاده در دیگر نظریه‌های ذرات بنیادی در انرژی‌های بالا استفاده کرده‌اند. این ترفند فوق‌العاده ولی تایید نشده، تناظر پاد-‌دوستیه است (در گرانش با نام تناظر پیمانه/گرانش هم شناخته شده و در بخشی از نظریه میدان با نام نظریه میدان همدیس بهره می‌برد[6]). مسائلی که به سختی در فیزیک فضای سه بعدی حل شدنی هستند، با فرض فضای چهاربعدی بسیار ساده‌تر حل می‌شوند.

با استفاده از چنین ترفند ریاضیاتی توانستند تبادل نیرو بین ذرات مادۀ تاریک را حل کنند. نتیجه دیگر کارشان انتقال این فرضیه به فضای سه بعدی و پیش‌بینی‌هایی چون چگونگی عملکرد این نیروها در عالم واقع بود. دریافتند که این نیروها بسیار متفاوت‌تر از نیروهای شناخته شده طبیعت رفتار می‌کنند.

«برای نیروهای گرانشی و الکتریکی (در دوره مقدماتی فیزیک)، وقتی فاصله را بین دو ذره، دو برابر می‌کنید، نیرو از مرتبه چهار کاهش می‌یابد. ولی در یک نیروی پیوسته، چنین کاهشی از مرتبۀ هشت است.»

این تعمیم به خوداندرکنش بین ذرات مادۀ تاریک، دست پژوهشگران را باز می‌گذارد تا با استفاده از شبیه‌سازی‌هایی که با رصدهای کهکشان‌های کوچک همخوانی دارند، بجای مدل تیزه‌ای که در مدل‌های معمول مادۀ تاریک مطرح شده، نمایه‌ای هسته‌گونه از مادۀ تاریک به آن‌ها بدهیم. نتایج مشابه دیگر مدل‌های خوداندرکنشی مادۀ تاریک بود که می‌توانند مراکز هسته‌گونه را هم بازتولید کنند؛ ولی این نظریه از سویۀ نظری کاملاً جدیدی می‌آید که نتایج رصدی دیگری داشته باشد.

منبع: Livescience    نویسنده:  Paul Sutter

پی‌نوشت مترجم:اگر برای خواننده گرامی واژۀ ابعاد اضافه یادآور نظریه ریسمان است، بی‌راه نیست. AdS/CFT در واقع بستری‌ست ریاضیاتی در نظریه میدان برای بررسی ابعاد و رهیافت‌های متفاوتی برای حل مسائل در فیزیک نظری از جمله کیهان‌شناسی و ذرات بنیادی و ترکیب این دو.