ساخت دوربینی برای شکار ماده تاریک

به گزارش ایسنا، فیزیکدانان در حال توسعه فناوری “تله تلسکوپ” برای شکار ماده تاریک گریزان هستند.

ماده تاریک نوعی ماده است که وجود آن در نجوم و کیهان شناسی مشکوک است تا پدیده هایی را توضیح دهد که به نظر می رسد ناشی از حضور جرم خاصی است که بیش از جرم مشاهده شده در جهان است.

ماده تاریک مستقیماً از طریق تلسکوپ قابل مشاهده نیست و به آن “تاریک” می گویند زیرا به نظر می رسد هیچ برهمکنشی با میدان الکترومغناطیسی ندارد، به این معنی که مانند نور تابش الکترومغناطیسی را ساطع، بازتاب یا جذب نمی کند.

بنابراین نمی توان آن را دید. به عبارت دیگر ماده تاریک ماده ای است که به نور واکنش نشان نمی دهد. در عوض، وجود و خواص ماده تاریک را می توان به طور غیرمستقیم از طریق اثر گرانشی آن بر ماده مرئی، تشعشع و ساختار بزرگ مقیاس جهان استنباط کرد.

بر اساس داده های سال 2013 و بر اساس مدل استاندارد کیهان شناسی، کل انرژی جرم در جهان شناخته شده از 4.9٪ ماده معمولی، 26.8٪ ماده تاریک و 68.3٪ انرژی تاریک تشکیل شده است. یعنی ماده تاریک 26.8 درصد از کل ماده جهان را تشکیل می دهد و انرژی تاریک و ماده تاریک با هم 95.1 درصد از کل محتویات جهان را تشکیل می دهند.

اکنون آشوتوش کوتوال، فیزیکدان دانشگاه دوک و تیمش در حال کار بر روی یک دستگاه سیلیکونی هستند که به عنوان یک “تله دوربین” عمل می کند و شواهدی از ماده تاریک را جمع آوری می کند.

در قلب این تراشه یک الگوریتم پیشرفته وجود خواهد داشت که قادر به جستجوی سریع در میان مقادیر عظیم داده های بصری تولید شده توسط برخورد دهنده بزرگ هادرون خواهد بود.

برخورد دهنده بزرگ هادرون یک شتاب دهنده ذرات عظیم است که در 350 فوت زیر زمین در مرز فرانسه و سوئیس قرار دارد.

کوتوال می‌گوید: “وظیفه ما این است که اطمینان حاصل کنیم که فناوری ما قادر به تولید ماده تاریک در هنگام تولید نیست.”

ماده تاریک گریزان

در برخورددهنده بزرگ هادرونی، پروتون‌ها قبل از برخورد با نیروی غیرقابل تصور، تقریباً به سرعت نور شتاب می‌گیرند. این شرایط باعث ایجاد بیگ بنگ می شود.

نتیجه این برخوردها نمایش نفس گیر ذرات زیراتمی است. اما در میان هرج و مرج، دانشمندان معتقدند ممکن است شواهدی از ماده تاریک وجود داشته باشد.

باید گفت که مقدار ماده تاریک پنج برابر ماده مرئی است. ماده تاریک نامرئی است، اما کشش گرانشی آن کهکشان ها را تشکیل می دهد. دانشمندان می دانند که ماده تاریک وجود دارد، اما دقیقاً نمی دانند که چیست.

برخورد دهنده بزرگ هادرون برای درک ماهیت مرموز و نامرئی ماده تاریک استفاده می شود.

در تاسیسات برخورد دهنده بزرگ هادرون، ما با استفاده از آشکارسازهایی که مانند دوربین های دیجیتال سه بعدی غول پیکر عمل می کنند، ماده تاریک و اسرار دیگر را جستجو می کنیم و بلافاصله از اسپری ذرات ایجاد شده در اثر هر برخورد پروتون و پروتون عکس می گیریم.

سرنخ های زودگذر

ماده تاریک برای آشکارسازها نامرئی است، اما وجود آن را می توان از رفتار ذرات دیگر استنباط کرد.

دانشمندان بر این باورند که ناپدید شدن ذرات باردار بالا می تواند به آنها اجازه دهد تا حضور ماده تاریک را تشخیص دهند. پس از یک برخورد، این ذرات سنگین حدود 10 اینچ را طی می کنند و بدون هیچ اثری ناپدید می شوند و احتمالاً به ماده تاریک تبدیل می شوند.

مسیرهای ذرات یک “مسیر ناپدید شدن” منحصر به فرد را در آشکارساز تشکیل می دهند، اما شناسایی این الگوهای گریزان نیاز به تشخیص سریع دارد و چالش بسیار زیاد است. میلیون‌ها تصویر در هر ثانیه تولید می‌شوند و تنها بخش کوچکی ممکن است حاوی شواهدی از ماده تاریک باشد.

کوتوال می‌گوید: «بیشتر این تصاویر امضای خاصی را که ما به دنبال آن هستیم، ندارند. شاید یک در میلیون یکی از آنها نشانه ای دارند که می خواهیم شناسایی کنیم.

لازم به ذکر است که تنها یک میلیونیم ثانیه برای شناسایی ماده تاریک در این واکنش ها کافی است.

کوتوال اضافه کرد که دستیابی به این امر در یک لحظه و طی ماه ها نیازمند تکنیک تشخیص تصویر است که می تواند حداقل 100 برابر سریعتر از هر چیزی که فیزیکدانان ذرات قبلاً قادر به انجام آن بوده اند، اجرا شود.

اینجاست که الگوریتم جدید هوش مصنوعی وارد عمل می شود.

کوتوال و تیمش یک الگوریتم «ردیابی مسیر» را برای شناسایی سریع امضاهای احتمالی ماده تاریک در دریایی از داده‌ها و پرچم‌گذاری آن‌ها قبل از برخورد بعدی ایجاد کرده‌اند.

تراشه این تیم دارای چندین پردازنده هوش مصنوعی برای تجزیه و تحلیل داده ها با سرعت فوق العاده بالا خواهد بود. این سیستم تصاویر را به سرعت در کمتر از 250 نانوثانیه پردازش می کند در حالی که داده های نامربوط را دور می اندازد.

محققان تابستان 2024 را به عنوان آخرین مهلت برای نمونه اولیه دستگاه خود تعیین کرده اند. با این حال، محصول نهایی که حاوی حدود 2000 تراشه خواهد بود، ظرف سه تا چهار سال آینده برای استفاده در برخورد دهنده بزرگ هادرون آماده خواهد شد.

این نتایج در Scientific Reports منتشر شد.