کشف ذره‌ای که شاید دریچه‌ای به بُعد پنجم باشد

محققان این احتمال را مطرح کرده‌اند که ماده تاریک از نوع فرمیونی بتواند در یک بُعد پنجم با ساختاری خمیده حضور داشته باشد.

گروهی از پژوهشگران معتقدند وجود ذره‌ای ویژه که با یک بُعد پنجم ارتباط دارد، شاید بتواند راز ماده تاریک را توضیح دهد.

هرچند مفهوم فیزیک ابعاد اضافی خمیده نخستین بار در سال ۱۹۹۹ و با مدل رندال-ساندرام مطرح شد، اما مقاله‌ای که در نشریه The European Physical Journal C انتشار یافت، از همین چارچوب برای پرداختن به یکی از مهم‌ترین معماهای فیزیک ذرات یعنی ماده تاریک بهره گرفته. در این پژوهش، یک میدان اسکالر نقش دروازه ارتباطی را بر عهده دارد و میان بخش آشنای هیگز و ذراتی که در بخش تاریکِ دارای بُعد اضافی قرار دارند، پیوند برقرار می‌کند.

درک کنونی ما از جهان بر پایه وجود ماده تاریک استوار است؛ ماده‌ای که بخش عمده جرم موجود در کیهان را تشکیل می‌دهد. دانشمندان از آن به‌عنوان عاملی کلیدی برای توضیح رفتار گرانش استفاده می‌کنند، زیرا بدون حضور آن بسیاری از ساختارهای کیهانی شکل کنونی خود را نداشتند و حتی ممکن بود از هم فرو بپاشند. با این حال، ماده تاریک تقریبا هیچ برهم‌کنش مستقیمی با ذرات معمولی ندارد و به همین دلیل باید ویژگی‌های متفاوتی نسبت به ماده شناخته‌شده داشته باشد.

پژوهشگران این مطالعه که از اسپانیا و آلمان هستند، توضیح می‌دهند که هنوز پرسش‌های مهمی وجود دارد که مدل استاندارد فیزیک پاسخی برای آن‌ها ارائه نمی‌کند. یکی از برجسته‌ترین نمونه‌ها، مسئله سلسله‌مراتب بوده؛ این پرسش که چرا جرم بوزون هیگز در مقایسه با مقیاس گرانش تا این اندازه کوچک‌تر است. افزون بر این، مدل استاندارد توانایی توضیح برخی پدیده‌های مشاهده‌شده را ندارد که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به وجود ماده تاریک اشاره کرد.

در این چارچوب نظری، فرمیون‌ها در فضایی پنج‌بعدی با ساختاری خمیده حرکت می‌کنند. همچنین یک میدان اسکالر جدید به‌عنوان مجرای ارتباطی عمل کرده و با میدان هیگز ترکیب می‌شود تا ارتباطی احتمالی میان ذرات معمولی و بخش پنهان شامل فرمیون‌های ماده تاریک برقرار شود. سپس پژوهشگران بررسی کردند که آیا چنین سازوکاری می‌تواند مقدار ماده تاریک مورد نیاز جهان را تولید کند و در عین حال با محدودیت‌های آزمایشگاهی موجود نیز سازگار باقی بماند.

این الگو یکی از گزینه‌های پیشنهادی برای توضیح ماده تاریک در فراتر از مدل استاندارد به شمار می‌رود. پژوهشگران تأکید کرده‌اند که در مدل استاندارد هیچ نامزد مناسبی برای ماده تاریک وجود ندارد و همین موضوع به‌تنهایی نشان می‌دهد که برای توضیح این پدیده باید به سراغ فیزیک جدید رفت.

در این نظریه، بُعد پنجم بخشی از ساختار هندسی فضا-زمان محسوب می‌شود و نباید آن را به‌عنوان مکانی تصور کرد که ذرات از طریق دریچه‌ای فیزیکی وارد آن می‌شوند. معادلات این مدل اجازه می‌دهند ذرات فرمیونی در فضای خمیده دارای بُعد اضافی حضور داشته باشند، در حالی که میدان اسکالر تعیین می‌کند بخش پنهان تا چه اندازه بتواند از طریق هیگز با ذرات شناخته‌شده برهم‌کنش داشته باشد.

مهم‌ترین راه بررسی این مدل، استفاده از آشکارسازهای ذرات است و نه رصدخانه‌های امواج گرانشی. اگر میدان اسکالر با هیگز ترکیب شود، ممکن است نحوه برهم‌کنش‌های بوزون هیگز و نسبت شاخه‌های واپاشی آن تغییر کند. برای نمونه، احتمال دارد بخشی از واپاشی‌های هیگز به ذراتی منجر شود که آشکارسازها قادر به مشاهده آن‌ها نیستند. علاوه بر این، آزمایش‌های جست‌وجوی مستقیم ماده تاریک نیز برخورد احتمالی این ذرات با هسته اتم‌ها را بررسی می‌کنند.

نتایج این آزمایش‌ها به مرور دامنه قابل قبول چنین مدل‌هایی را محدودتر کرده. ترکیب داده‌های آزمایش CMS در سال ۲۰۲۶ هیچ اختلاف معناداری میان ویژگی‌های اندازه‌گیری‌شده بوزون هیگز و پیش‌بینی‌های مدل استاندارد پیدا نکرد. همچنین این بررسی نشان داد که سهم واپاشی‌های نامرئی یا واپاشی‌هایی که قابل شناسایی نیستند، با سطح اطمینان ۹۵ درصد کمتر از ۱۳ درصد است. از سوی دیگر، تحلیل منتشرشده توسط آزمایش ATLAS در ماه مه ۲۰۲۶ نیز هیچ نشانه قابل توجهی از فاصله گرفتن رفتار هیگز از مدل استاندارد ارائه نکرد.

مطالعات مربوط به ماده تاریک در چارچوب ابعاد اضافی به همین مدل محدود نمی‌شود و پژوهشگران مسیرهای دیگری را نیز دنبال می‌کنند. در مقاله‌ای که ژانویه ۲۰۲۶ منتشر شد، از پورتال‌های گراویتون و رادیون در چارچوب مدل رندال-ساندرام برای بررسی ماده تاریک و همچنین نابرابری میان ماده و پادماده استفاده شد. در پژوهش دیگری که در ماه ژوئیه همان سال انتشار یافت نیز ماده تاریک فرمیونی از طریق ذره‌ای موسوم به فوتون تاریک با سایر ذرات ارتباط برقرار می‌کرد و پیش‌بینی‌هایی برای آزمایش‌های جست‌وجوی مستقیم و برخورددهنده‌های ذرات ارائه شد.

هرچند هیچ‌یک از این مدل‌ها هنوز مدرکی قطعی برای وجود بُعد اضافی به شمار نمی‌روند، اما در کنار یکدیگر نشان می‌دهند که پژوهش درباره ماده تاریک و ابعاد فراتر از جهان شناخته‌شده، به حوزه‌ای گسترده و متنوع تبدیل شده است.