بر اساس مطالعات نظریِ جدیدی که توسط تیم بین‌المللی از پژوهش‌گران انجام یافته است: پوزیترون «اضافی» که توسط دو ماموریت فضایی مستقل اندازه‌گیری شده و توسط برخی از فیزیک‌پیشگان به ماده‌ی تاریک یا تپ‌اخترها نسبت داده شده بود٬ وجود ندارد. درعوض٬ این پژوهش‌گران یک حدِ بالای «مستحکم» برای شار پوزیترونی محاسبه کرده‌اند. این شار بواسطه‌ی اندرکنش پرتوهای کیهانی (با انرژی بالا) با گاز پیرامونی خود بوجود می‌آید. به بیان پژوهش‌گران این تیم٬ شاری که توسط آزمایش پاملاو طیف‌سنج مغناطیسیِ آلفا (AMS) اندازه‌گیری شده٬ زیر این حد قرار می‌گیرد.
مازادهای غیرقابل توضیح
پوزیترونها پادذرات الکترون‌ها هستند. در سال ۲۰۰۸ ٬ پاملا داده‌های هیجان‌انگیزی از ماهواره‌اش منتشر ساخت. این داده‌ها پیشنهاد می‌دادند که پرتوهای کیهانی (که بالای جوِ زمین وجود دارند) از پوزیترون‌های با انرژی بالای مازادی برخوردارند. این نتیجه جالب توجه بود چون بر اساس نظریات پرتوی کیهانی کسر پوزیترونها بایستی با افزایش انرژی افت پیدا کند. اما شگفت‌آور اینکه٬ می‌توان وجود پوزیترون‌های اضافی را دلیلی بر نابودیِ ذرات ماده‌ی تاریک به حساب آورد. با این حال شک و تردیدها بر روی داده‌های اولیه‌ی پاملا سرازیر شد و گمان بر این بود که شاید این ماهواره با تعداد بسیار بزرگ‌تری از پروتون‌هایی که به آشکارسازش می‌رسد سردرگم شده است.
سپس در سال ۲۰۱۱ تلسکوپ فضایی پرتوی گامای فرمی٬ بر این یافته‌ی پاملا (که با همکاری AMS در آوریل همان سال انجام شده بود) صحه گذاشت و در واقع پوزیترون مازاد را تایید کرد. پس از آن٬ پاملا تحلیل تازه‌ای از داده‌هایش را٬ که اضافی بودن پوزیترونها را تایید می‌کرد٬ ارائه داد. دو توضیح فراگیر برای پوزیترون اضافی وحود دارد: یکی اینکه نابودی ذرات ماده‌ی تاریک٬ الکترون‌ها و پوزیترون‌های با انرژی بالا را تولید می‌کنند و دیگر اینکه پوزیترونها در تپ‌اخترها تولید شده باشند.
ترسیم پرتوهای کیهانی
اما اکنون فیر بلوم (Kfir Blum) از موسسه‌ی مطالعات پیشرفته‌ی پرینستون و الی واکسمن (Eli Waxman) از موسسه‌ی علمی وایزمن بر سر این موضوع بحث می‌کنند که در واقع هیچ پوزیترون مازادی وجود ندارد. به گفته‌ی آنان اینکه مشاهدات پوزیترونی در میان محدوده‌ای قرار می‌گیرد که آن‌ها در محاسباتشان به آن رسیده‌اند امری خوب و مثبت است. این حد بالا برای پوزیترون‌های با انرژی بالا زمانی ایجاد می‌شود که پرتوهای کیهانی با ماده کیهانی محیطی برخورد کند. در واقع این محققان پیشنهاد می‌کنند که اندازه‌گیری‌هایی که بر روی پوزیترون انجام شده٬ فیزیکِ انتشار پرتوهای کیهانی را برجسته می‌کند– نه ماده‌ی تاریک یا تپ‌اخترها.
در مطالعه‌ا‌ی که آن‌ها انجام داده‌اند٬ پژوهش‌گران چیزی را در نظر می‌گیرند که ساده‌ترین مدل قابل اعتماد برای توضیح شار پوزیترونی نامیده می‌شود. منبعی که آنان در نظر می‌گیرند پرتوهای کیهانی با انرژی بالا یا پرتوهای کیهانی «اولیه» است که با گاز و مواد دیگر که به وفور در کهکشان وجود دارد اندرکنش می‌کند. آن گونه که بلوم به physicsworld.com می‌گوید این نظریه آنان را قادر می‌سازد تا محاسبات دقیقی را از مقدار پوزیترونی که در این برخوردهای «ثانویه» و نمونه‌های بسیار زیادی از دیگر ذرات (همچون پادپروتون‌ها و هسته‌ها همانند بورون‌ها) تولید می‌شوند به انجام برسانند. به بیان بلوم: «با اینکه می‌توانیم به سادگی منبع پوزیترونها را محاسبه کنیم٬ پیش‌بینیِ شار واقعیِ آن‌ها در زمین دشوارتر است.» برای فراهم‌آوردن چنین پیش‌بینی‌هایی به نظریه‌ای مستحکم نیازمندیم تا چگونگیِ انتشار پرتوهای کیهانی در کهکشان را توضیح داده و این چیزی است که در حال حاضر وجود ندارد.
انتشاری که به شکل ضعیف درک شده
آن‌طور که بلوم ادعا می‌کند این یک مسئله‌ی نظریِ پیچیده است که هنوز به درستی درک نشده است. به گفته‌ی او: «با عدم وجود نظریه‌ای قابل اعتماد درباره‌ی انتشار پرتوهای کیهانی٬ بهترین کاری که می‌توانیم انجام دهیم این است که حد بالای مستحکمی را (با ضریب اطمینان بالا) برای شار پوزیترونها پیش‌بینی کنیم. شار پوزیترونی اندازه‌گیری‌شده توسط پاملا و AMS02 زیر این حد بالایی قرار گرفته و چنان با آن سازگار هستند که هیچ مازادی وجود ندارد.» آن‌طور که بلوم توضیح می‌دهد اغلب ادعاهایی که بر پوزیترون «اضافی» تکیه دارند بر پایه‌ی مدل‌های نظری سوداگرانه از انتشار پرتوهای کیهانی بنا شده و چون خودِ این مسئله به خوبی درک نشده٬ این مدل‌ها از بسیاری از فرضیات ساده‌سازی بهره برده‌اند. اگر سعی بر این باشد تا به کفِ این «مازاد» ادعا شده دست پیدا کنیم٬ این موضوع همیشه به یک یا چندتا از این فرضیات ساده‌سازی تنزل می‌یابد؛ چیزی که ممکن است حقیقتاً در جهان واقعی صحیح نباشد.
این تیم همچنین خاطرنشان می‌کند که روش آن‌ها در مورد پادپروتون‌هایی که در شارهای پرتوهای کیهانی نیز تولید می‌شوند بکار می‌رود. تفاوت بین این محاسبات در این حقیقت نهفته است که پادپروتون‌ها انرژی‌شان را با عبور از کهکشان تغییر نمی‌دهند٬ در حالی‌که پوزیترونها تغییر می‌دهند. به گفته‌ی بلوم: «به عنوان نتیجه‌ای از این ساده‌سازی٬ می‌توانیم شار واقعی پادپروتون‌ها را (بجای یک حد بالا) به طور دقیق محاسبه کنیم.» با این توضیح که این تیم از این واقعیت برای اعتبار بخشیدن به محاسباتش استفاده کرده است. وی می‌افزاید: «در حقیقت شار پادپروتون‌های اندازه‌گیری‌شده بخوبی با پیش‌بینی‌های ما توافق دارد.» پژوهش‌گران قبلاً محاسبات حدبالای مشابهی را برای داده‌های سال ۲۰۰۹ پاملا انجام داده‌اند و آن‌طور که بیان می‌کنند٬ تاییدیه‌های بعدی که از طریق AMS-02 حاصل شده تنها پشتوانه‌ای برای نظریه‌ی آن‌ها به حساب می‌آید.
زمان محبوس‌شدن
وقتی می‌پرسیم که آیا این نظریه‌ی جدید می‌تواند چراییِ افزایش کسر پوزیترونها با انرژی را توضیح دهد٬ به بیان بلوم این موضوع را می‌توان اشاره‌ی دیگری به این ویژگی جالب دانست که پرتوهای کیهانی چگونه انتشار می‌یابند. «همانطور که در مقاله‌مان نشان داده‌ایم٬ یک راه (هرچند تنهاترین راه نیست) برای دستیابی به چنین نوعی از رفتار ]چگونگی انتشار پرتوهای کیهانی[ در صورتی خواهد بود که زمان محبوس شدن پرتوهای کیهانی در کهکشان با افزایش انرژی کاهش یابد- بسیار سریع‌تر از زمانی که یک پوزیترون ثانویه‌ی متوسط٬ کسر قابل توجهی از انرژی خود را از دست بدهد.»
به بیان بلوم نظریه‌ی این تیم به روش‌های مختلف از طریق آزمایش قابل آزمودن است. اولاً داده‌های آینده‌ی AMS-02 حتی در انرژی‌های بالا به‌لحاظ اینکه شار مشاهده شده پایین‌تر از حد بالای مستحکم آن‌ها باقی می‌ماند یا نه بررسی خواهد شد. به گفته‌ی بلوم: «اگر در نهایت داده‌های آتی نشان از این باشد که شار پوزیترون به بالاتر از حد ما رسیده٬ تفسیر ثانویه فوراً رد می‌شود. این خبر شگفت‌آوری خواهد بود و به معنای این است که منبع بیگانه و عجیب و غریبی لازم است. من یکی که هیجان‌زده خواهم شد. اما این جایی نخواهد بود که بخواهم بر روی داده‌هایی که اکنون داریم سرمایه‌گذاری کنم.» وی همچنین توضیح می‌دهد که اندازه‌گیری‌های آینده‌ی هسته‌ی پرتوهای کیهانی رادیواکتیو ثانویه (همچون ایزوتوپ‌های بریلیوم و آلومینیوم) اطلاعات مستقلی را به زمان حبس‌شدگی پرتوهای کیهانی خواهد افزود. « این موضوع برای پی‌بردن به اینکه آیا تصویر سازگاری داریم یا نه٬ می‌تواند در تقابل با داده‌های پوزیترون قرار گیرد. از این داده‌ها می‌توان برای آزمایش نارساییِ فرضیه‌ی منبع ثانویه حتی در موردی که حد بالای شار پوزیترونی نقض نشود٬ استفاده کرد و از این رو داده‌های رادیوایزوتوپی امیدبخشی هستند.
منبع ابرنواختر؟
به بیان سوبیر سرکار (Subir Sarkar)٬ نظریه‌پردازی از دانشگاه آکسفورد در انگلستان که در پژوهش اخیر شرکت نداشته است٬ آن‌چه می‌تواند بیش از همه جالب باشد این است که آیا آن‌ها می‌توانند به این پرسش پاسخ دهند که: منبع واقعیِ «مبدا ثانویه‌ی پوزیترون‌های پرتو کیهانی» چیست؟ به گفته‌ی وی بر اساس تحقیق گروه او٬ این منبع را می‌توان تقریباً بقایای ابرنواختری دانست که موجب شتاب یافتن پروتون‌های با انرژی بالا شده است و این پروتون‌ها با ماده‌ی محیطی برای ساخت پوزیترونها (که آن‌ها هم شتاب یافته‌اند) اندرکنش داشته‌اند. به گفته‌ی سرکار: «پیش‌بینی که برای کسر پوزیترونها فراهم کرده‌ایم (بر اساس اندازه‌گیری‌های مستقلی که بر روی شار پوزیترون/الکترون توسط ماهواره‌ی فرمی انجام شده) با یافته‌های AMS-02 سازگار است.»
با اینکه بلوم و همکارانش با این موضوع موافقند که در اصل ممکن است تپ‌اخترها یا ماده‌ی تاریک بتواند در شار اندازه‌گیری شده آزمایشگاهی سهم داشته باشد٬ او بر این نکته پافشاری می‌کند که یک دلیل نظری خوب (و نه قطعی) وجود دارد که بر وجود سهم مهمی از چنان منبع بیگانه‌ی اضافی٬ شک و تردید دارد. آن‌طور که بلوم نتیجه‌گیری می‌کند: «کاملاً شگفت‌آور خواهد بود اگر یک فرآیند فیزیکیِ کاملاً نامربوط (همچون نابودی ماده‌ی تاریک) در شار پوزیترونی سهم داشته باشد؛ آن‌هم دقیقاً برابر مقداری که باعث می‌شود شار مشاهده‌شده به خوبی با پیش‌بینی ثانویه‌ی خالص (با صرف‌نظر از اتلاف انرژی) توافق داشته باشد.
این تحقیق در مجله‌ی فیزیکال ریویو لیترز انتشار یافته است.
مازادهای غیرقابل توضیح
پوزیترونها پادذرات الکترون‌ها هستند. در سال ۲۰۰۸ ٬ پاملا داده‌های هیجان‌انگیزی از ماهواره‌اش منتشر ساخت. این داده‌ها پیشنهاد می‌دادند که پرتوهای کیهانی (که بالای جوِ زمین وجود دارند) از پوزیترون‌های با انرژی بالای مازادی برخوردارند. این نتیجه جالب توجه بود چون بر اساس نظریات پرتوی کیهانی کسر پوزیترونها بایستی با افزایش انرژی افت پیدا کند. اما شگفت‌آور اینکه٬ می‌توان وجود پوزیترون‌های اضافی را دلیلی بر نابودیِ ذرات ماده‌ی تاریک به حساب آورد. با این حال شک و تردیدها بر روی داده‌های اولیه‌ی پاملا سرازیر شد و گمان بر این بود که شاید این ماهواره با تعداد بسیار بزرگ‌تری از پروتون‌هایی که به آشکارسازش می‌رسد سردرگم شده است.
سپس در سال ۲۰۱۱ تلسکوپ فضایی پرتوی گامای فرمی٬ بر این یافته‌ی پاملا (که با همکاری AMS در آوریل همان سال انجام شده بود) صحه گذاشت و در واقع پوزیترون مازاد را تایید کرد. پس از آن٬ پاملا تحلیل تازه‌ای از داده‌هایش را٬ که اضافی بودن پوزیترونها را تایید می‌کرد٬ ارائه داد. دو توضیح فراگیر برای پوزیترون اضافی وحود دارد: یکی اینکه نابودی ذرات ماده‌ی تاریک٬ الکترون‌ها و پوزیترون‌های با انرژی بالا را تولید می‌کنند و دیگر اینکه پوزیترونها در تپ‌اخترها تولید شده باشند.
ترسیم پرتوهای کیهانی
اما اکنون فیر بلوم (Kfir Blum) از موسسه‌ی مطالعات پیشرفته‌ی پرینستون و الی واکسمن (Eli Waxman) از موسسه‌ی علمی وایزمن بر سر این موضوع بحث می‌کنند که در واقع هیچ پوزیترون مازادی وجود ندارد. به گفته‌ی آنان اینکه مشاهدات پوزیترونی در میان محدوده‌ای قرار می‌گیرد که آن‌ها در محاسباتشان به آن رسیده‌اند امری خوب و مثبت است. این حد بالا برای پوزیترون‌های با انرژی بالا زمانی ایجاد می‌شود که پرتوهای کیهانی با ماده کیهانی محیطی برخورد کند. در واقع این محققان پیشنهاد می‌کنند که اندازه‌گیری‌هایی که بر روی پوزیترون انجام شده٬ فیزیکِ انتشار پرتوهای کیهانی را برجسته می‌کند– نه ماده‌ی تاریک یا تپ‌اخترها.
انتشاری که به شکل ضعیف درک شده
آن‌طور که بلوم ادعا می‌کند این یک مسئله‌ی نظریِ پیچیده است که هنوز به درستی درک نشده است. به گفته‌ی او: «با عدم وجود نظریه‌ای قابل اعتماد درباره‌ی انتشار پرتوهای کیهانی٬ بهترین کاری که می‌توانیم انجام دهیم این است که حد بالای مستحکمی را (با ضریب اطمینان بالا) برای شار پوزیترونها پیش‌بینی کنیم. شار پوزیترونی اندازه‌گیری‌شده توسط پاملا و AMS02 زیر این حد بالایی قرار گرفته و چنان با آن سازگار هستند که هیچ مازادی وجود ندارد.» آن‌طور که بلوم توضیح می‌دهد اغلب ادعاهایی که بر پوزیترون «اضافی» تکیه دارند بر پایه‌ی مدل‌های نظری سوداگرانه از انتشار پرتوهای کیهانی بنا شده و چون خودِ این مسئله به خوبی درک نشده٬ این مدل‌ها از بسیاری از فرضیات ساده‌سازی بهره برده‌اند. اگر سعی بر این باشد تا به کفِ این «مازاد» ادعا شده دست پیدا کنیم٬ این موضوع همیشه به یک یا چندتا از این فرضیات ساده‌سازی تنزل می‌یابد؛ چیزی که ممکن است حقیقتاً در جهان واقعی صحیح نباشد.
این تیم همچنین خاطرنشان می‌کند که روش آن‌ها در مورد پادپروتون‌هایی که در شارهای پرتوهای کیهانی نیز تولید می‌شوند بکار می‌رود. تفاوت بین این محاسبات در این حقیقت نهفته است که پادپروتون‌ها انرژی‌شان را با عبور از کهکشان تغییر نمی‌دهند٬ در حالی‌که پوزیترونها تغییر می‌دهند. به گفته‌ی بلوم: «به عنوان نتیجه‌ای از این ساده‌سازی٬ می‌توانیم شار واقعی پادپروتون‌ها را (بجای یک حد بالا) به طور دقیق محاسبه کنیم.» با این توضیح که این تیم از این واقعیت برای اعتبار بخشیدن به محاسباتش استفاده کرده است. وی می‌افزاید: «در حقیقت شار پادپروتون‌های اندازه‌گیری‌شده بخوبی با پیش‌بینی‌های ما توافق دارد.» پژوهش‌گران قبلاً محاسبات حدبالای مشابهی را برای داده‌های سال ۲۰۰۹ پاملا انجام داده‌اند و آن‌طور که بیان می‌کنند٬ تاییدیه‌های بعدی که از طریق AMS-02 حاصل شده تنها پشتوانه‌ای برای نظریه‌ی آن‌ها به حساب می‌آید.
زمان محبوس‌شدن
وقتی می‌پرسیم که آیا این نظریه‌ی جدید می‌تواند چراییِ افزایش کسر پوزیترونها با انرژی را توضیح دهد٬ به بیان بلوم این موضوع را می‌توان اشاره‌ی دیگری به این ویژگی جالب دانست که پرتوهای کیهانی چگونه انتشار می‌یابند. «همانطور که در مقاله‌مان نشان داده‌ایم٬ یک راه (هرچند تنهاترین راه نیست) برای دستیابی به چنین نوعی از رفتار ]چگونگی انتشار پرتوهای کیهانی[ در صورتی خواهد بود که زمان محبوس شدن پرتوهای کیهانی در کهکشان با افزایش انرژی کاهش یابد- بسیار سریع‌تر از زمانی که یک پوزیترون ثانویه‌ی متوسط٬ کسر قابل توجهی از انرژی خود را از دست بدهد.»
به بیان بلوم نظریه‌ی این تیم به روش‌های مختلف از طریق آزمایش قابل آزمودن است. اولاً داده‌های آینده‌ی AMS-02 حتی در انرژی‌های بالا به‌لحاظ اینکه شار مشاهده شده پایین‌تر از حد بالای مستحکم آن‌ها باقی می‌ماند یا نه بررسی خواهد شد. به گفته‌ی بلوم: «اگر در نهایت داده‌های آتی نشان از این باشد که شار پوزیترون به بالاتر از حد ما رسیده٬ تفسیر ثانویه فوراً رد می‌شود. این خبر شگفت‌آوری خواهد بود و به معنای این است که منبع بیگانه و عجیب و غریبی لازم است. من یکی که هیجان‌زده خواهم شد. اما این جایی نخواهد بود که بخواهم بر روی داده‌هایی که اکنون داریم سرمایه‌گذاری کنم.» وی همچنین توضیح می‌دهد که اندازه‌گیری‌های آینده‌ی هسته‌ی پرتوهای کیهانی رادیواکتیو ثانویه (همچون ایزوتوپ‌های بریلیوم و آلومینیوم) اطلاعات مستقلی را به زمان حبس‌شدگی پرتوهای کیهانی خواهد افزود. « این موضوع برای پی‌بردن به اینکه آیا تصویر سازگاری داریم یا نه٬ می‌تواند در تقابل با داده‌های پوزیترون قرار گیرد. از این داده‌ها می‌توان برای آزمایش نارساییِ فرضیه‌ی منبع ثانویه حتی در موردی که حد بالای شار پوزیترونی نقض نشود٬ استفاده کرد و از این رو داده‌های رادیوایزوتوپی امیدبخشی هستند.
منبع ابرنواختر؟
به بیان سوبیر سرکار (Subir Sarkar)٬ نظریه‌پردازی از دانشگاه آکسفورد در انگلستان که در پژوهش اخیر شرکت نداشته است٬ آن‌چه می‌تواند بیش از همه جالب باشد این است که آیا آن‌ها می‌توانند به این پرسش پاسخ دهند که: منبع واقعیِ «مبدا ثانویه‌ی پوزیترون‌های پرتو کیهانی» چیست؟ به گفته‌ی وی بر اساس تحقیق گروه او٬ این منبع را می‌توان تقریباً بقایای ابرنواختری دانست که موجب شتاب یافتن پروتون‌های با انرژی بالا شده است و این پروتون‌ها با ماده‌ی محیطی برای ساخت پوزیترونها (که آن‌ها هم شتاب یافته‌اند) اندرکنش داشته‌اند. به گفته‌ی سرکار: «پیش‌بینی که برای کسر پوزیترونها فراهم کرده‌ایم (بر اساس اندازه‌گیری‌های مستقلی که بر روی شار پوزیترون/الکترون توسط ماهواره‌ی فرمی انجام شده) با یافته‌های AMS-02 سازگار است.»
با اینکه بلوم و همکارانش با این موضوع موافقند که در اصل ممکن است تپ‌اخترها یا ماده‌ی تاریک بتواند در شار اندازه‌گیری شده آزمایشگاهی سهم داشته باشد٬ او بر این نکته پافشاری می‌کند که یک دلیل نظری خوب (و نه قطعی) وجود دارد که بر وجود سهم مهمی از چنان منبع بیگانه‌ی اضافی٬ شک و تردید دارد. آن‌طور که بلوم نتیجه‌گیری می‌کند: «کاملاً شگفت‌آور خواهد بود اگر یک فرآیند فیزیکیِ کاملاً نامربوط (همچون نابودی ماده‌ی تاریک) در شار پوزیترونی سهم داشته باشد؛ آن‌هم دقیقاً برابر مقداری که باعث می‌شود شار مشاهده‌شده به خوبی با پیش‌بینی ثانویه‌ی خالص (با صرف‌نظر از اتلاف انرژی) توافق داشته باشد.
این تحقیق در مجله‌ی فیزیکال ریویو لیترز انتشار یافته است.