تحويل المادة المظلمة غير المرئية إلى ضوء مرئي

مجموعة المجرات، على اليسار، مع حلقة من المادة المظلمة مرئية، على اليمين. مصدر الصورة: NASA، ESA، MJ Jee وH. Ford (جامعة جونز هوبكنز)

تتقدم الاستكشافات في المادة المظلمة باستخدام تقنيات تجريبية جديدة مصممة لاكتشاف المحاور، والاستفادة من التكنولوجيا المتقدمة والتعاون متعدد التخصصات لكشف أسرار هذا المكون المراوغ من الكون.

شبح يطارد عالمنا. وهذا معروف في علم الفلك وعلم الكونيات منذ عقود. الملاحظات أقترح ذلك حوالي 85% كل المادة في الكون غامضة وغير مرئية. وتنعكس هاتان الصفتان في اسمها: المادة المظلمة.

عدة تجارب تهدف إلى الكشف عن مكوناتها، ولكن على الرغم من عقود من البحث، فقد توصل العلماء إلى نتيجة قصيرة. الآن تجربتنا الجديدة، قيد الإنشاء في جامعة ييل في الولايات المتحدة، تقدم تكتيكًا جديدًا.

المادة المظلمة كانت موجودة حول الكون منذ بداية الزمن، سحب النجوم والمجرات معًا. غير مرئي ودقيق، ولا يبدو أنه يتفاعل مع الضوء أو أي نوع آخر من المادة. في الواقع، يجب أن يكون شيئًا جديدًا تمامًا.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات غير مكتمل، وهذه مشكلة. علينا أن نبحث عن الجديد الجسيمات الأساسية. والمثير للدهشة أن نفس عيوب النموذج القياسي تعطي تلميحات ثمينة حول المكان الذي يمكن أن تختبئ فيه.

المشكلة مع النيوترون

لنأخذ النيوترون، على سبيل المثال. وهو يشكل النواة الذرية مع البروتون. على الرغم من كونها محايدة بشكل عام، إلا أن النظرية تنص على أنها تتكون من ثلاثة جسيمات مشحونة تسمى الكواركات. ولهذا السبب، نتوقع أن تكون بعض أجزاء النيوترون مشحونة بشكل إيجابي وأخرى سالبة – وهذا يعني أنه كان لديه ما يسميه الفيزيائيون عزم ثنائي القطب الكهربائي.

حتى الآن، محاولات عديدة لقد أدى قياسه إلى نفس النتيجة: إنه أصغر من أن يتم اكتشافه. شبح آخر. ونحن لا نتحدث عن أوجه القصور في الأدوات، بل عن معامل يجب أن يكون أصغر من جزء واحد في عشرة مليارات. إنه صغير جدًا لدرجة أن الناس يتساءلون عما إذا كان يمكن أن يكون صفرًا تمامًا.

لكن في الفيزياء، يعتبر الصفر الرياضي دائمًا عبارة قوية. في أواخر السبعينيات، حاول علماء فيزياء الجسيمات روبرتو بيتشي وهيلين كوين (ولاحقًا فرانك ويلتشيك وستيفن واينبرج) اكتشاف استيعاب النظرية والأدلة.

اقترحوا أن المعلمة ربما ليست صفراً. بل هي كمية ديناميكية تفقد شحنتها ببطء، وتتطور إلى الصفر، بعد الانفجار العظيم. تظهر الحسابات النظرية أنه إذا حدث مثل هذا الحدث، فلا بد أنه قد ترك وراءه عددًا كبيرًا من الجسيمات الضوئية الخادعة.

وقد أُطلق عليها اسم “الأكسيونات” تيمنًا بعلامة تجارية للمنظفات لأنها تستطيع “حل” مشكلة النيوترونات. وحتى اكثر. إذا تم إنشاء الأكسيونات في بداية الكون، فهي موجودة منذ ذلك الحين. والأهم من ذلك، أن خصائصها تحدد جميع العناصر المتوقعة للمادة المظلمة. لهذه الأسباب، أصبحت المحاور واحدة من الجسيمات المرشحة المفضلة للمادة المظلمة.

سوف تتفاعل الأكسيونات مع الجسيمات الأخرى بشكل ضعيف فقط. ومع ذلك، هذا يعني أنهم سيظلون يتفاعلون قليلاً. يمكن للمحاور غير المرئية أن تتحول إلى جسيمات عادية، بما في ذلك – ومن المفارقة – الفوتونات، جوهر الضوء. قد يحدث هذا في ظروف معينة، مثل وجود مجال مغناطيسي. هذه هبة من السماء للفيزيائيين التجريبيين.

تصميم تجريبي

العديد من التجارب يحاولون استحضار شبح الأكسيون في بيئة المختبر الخاضعة للرقابة. يهدف البعض منها إلى تحويل الضوء إلى محاور، على سبيل المثال، ومن ثم تحويل المحاور إلى ضوء على الجانب الآخر من الجدار.

في الوقت الحاضر، يستهدف النهج الأكثر حساسية هالة المادة المظلمة التي تتخلل المجرة (وبالتالي الأرض) باستخدام جهاز يسمى الهالة. وهو عبارة عن تجويف موصل مغمور في مجال مغناطيسي قوي. الأول يلتقط المادة المظلمة المحيطة بنا (بافتراض أنها محاور عصبية)، في حين أن الأخير يحث على التحول إلى ضوء. والنتيجة هي إشارة كهرومغناطيسية تظهر داخل التجويف، وتتأرجح بتردد مميز اعتمادًا على كتلة الأكسيون.

يعمل النظام مثل جهاز استقبال الراديو. ويجب تعديله بشكل صحيح لاعتراض التردد الذي يهمنا. ومن الناحية العملية، يتم تغيير أبعاد التجويف لاستيعاب الترددات المميزة المختلفة. إذا كانت ترددات الأكسيون والتجويف غير متطابقة، فإن الأمر يشبه ضبط الراديو على القناة الخاطئة.

يتم نقل المغناطيس القوي إلى المختبر في جامعة ييل. الائتمان: جامعة ييل

لسوء الحظ، لا يمكن التنبؤ بالقناة التي نبحث عنها مسبقًا. ليس لدينا خيار سوى مسح جميع الترددات المحتملة. إن الأمر يشبه اختيار محطة راديو في بحر من الضوضاء البيضاء – إبرة في كومة قش – مع راديو قديم يحتاج إلى أن يكون أكبر أو أصغر في كل مرة ندير فيها مقبض التردد.

ومع ذلك، فهذه ليست التحديات الوحيدة. ويشير علم الكونيات إلى عشرات جيجاهيرتز باعتبارها أحدث الحدود الواعدة للبحث عن الأكسيونات. وبما أن الترددات الأعلى تتطلب تجاويف أصغر، فإن استكشاف تلك المنطقة سيتطلب تجاويف أصغر من أن تتمكن من التقاط كمية ذات معنى من الإشارة.

تحاول التجارب الجديدة إيجاد مسارات بديلة. ملكنا تجربة المنظار البلازمي الطولي (ألفا). يستخدم مفهومًا جديدًا للتجويف يعتمد على المواد الفوقية.

المواد الخارقة هي مواد مركبة ذات خصائص عالمية تختلف عن مكوناتها – فهي أكثر من مجموع أجزائها. يحصل التجويف المليء بالقضبان الموصلة على تردد مميز كما لو كان أصغر بمليون مرة، بينما لا يتغير حجمه إلا بالكاد. هذا هو بالضبط ما نحتاجه. بالإضافة إلى ذلك، توفر القضبان نظام ضبط مدمج وسهل التعديل.

نقوم حاليًا ببناء الإعداد، والذي سيكون جاهزًا لتلقي البيانات في غضون سنوات قليلة. التكنولوجيا واعدة. وقد جاء تطويره نتيجة للتعاون بين فيزيائيي الحالة الصلبة، ومهندسي الكهرباء، وفيزيائيي الجسيمات، وحتى علماء الرياضيات.

على الرغم من كونها بعيدة المنال، إلا أن الأكسيونات تغذي التقدم الذي لن يتمكن أي شبح من القضاء عليه على الإطلاق.

كتبه أندريا جالو روسو، زميل ما بعد الدكتوراه في الفيزياء، جامعة ستوكهولم.

مقتبس من مقالة نشرت أصلا في المحادثة.