اصطياد المادة المظلمة في قبو في زقاق النيوترينو

حاول العلماء في مختبر أوك ريدج الوطني مراقبة المادة المظلمة في ممر مضاء بشكل ساطع في الطابق السفلي باستخدام حساسية أجهزة كشف النيوترينو الخاصة بهم. يقع Neutrino Alley ، حيث يعمل الفريق ، أسفل مصدر Spallation Neutron ، وهو مسرع جسيمات قوي. بعد سنوات من الحساب النظري ، انطلق فريق COHERENT لمراقبة المادة المظلمة ، والتي يُعتقد أنها تشكل ما يصل إلى 85٪ من كتلة الكون. سمحت التجربة للفريق بتوسيع نطاق البحث العالمي عن المادة المظلمة بطريقة جديدة ، وهم يخططون لتلقي كاشف أكبر وأكثر حساسية لتحسين فرصهم في التقاط جسيمات المادة المظلمة.

القليل من الأشياء تحمل نفس هالة الغموض مثل المادة المظلمة. الاسم نفسه يشع السرية ، مما يوحي بشيء مخفي في ظلال الكون.

دعا فريق تعاوني من العلماء متماسك، بما في ذلك كيت شولبيرج ، أستاذة الفيزياء المتميزة في الآداب والعلوم ، وفيليب باربو ، الأستاذ المساعد في الفيزياء ، وباحث ما بعد الدكتوراه دانيال بيرشي ، حاول إخراج المادة المظلمة من ظلال الكون إلى وجهة أقل بريقًا: إضاءة زاهية ، رواق ضيق في الطابق السفلي.

ليس قبو عادي ، رغم ذلك. من خلال العمل في منطقة من مختبر أوك ريدج الوطني الملقب بـ Neutrino Alley ، يركز الفريق عادةً على الجسيمات دون الذرية التي تسمى النيوترينوات. يتم إنتاجها عندما تموت النجوم وتصبح مستعرات أعظم ، أو على مستوى أقرب إلى الأرض ، كنتاج ثانوي لتصادم البروتونات في مسرعات الجسيمات.

المادة المظلمة ، الأشياء غير المرئية التي تشكل 85٪ من مادة الكون ، ليست مخفية بعيدًا بين المجرات. يحاول فريق من العلماء إخراجها من الظل. الائتمان: الأشعة السينية: NASA / CXO / Fabian et al. ؛ الراديو: Gendron-Marsolais et al. ؛ NRAO / AUI / NSF Optical: NASA ، SDSS

ليس من قبيل الصدفة ، يقع Neutrino Alley مباشرة تحت واحد من أقوى مسرعات الجسيمات في العالم ، Oak Ridge’s مصدر التشظي النيوتروني (SNS). يضم Neutrino Alley مجموعة من أجهزة الكشف المصممة خصيصًا لمراقبة النيوترينوات أثناء مرورها وتصادمها معها.

ومع ذلك ، فإن النيوترينوات ليست المنتج الثانوي الوحيد لعمليات SNS. المادة المظلمة (يجب عدم الخلط بينها وبين المادة المضادة للمادة المفضلة لدى الشرير) يتم إنتاجها أيضًا عندما تصطدم مسرعات الجسيمات البروتونات معًا. بعد سنوات من الحساب النظري ، انطلق فريق COHERENT للاستفادة من قوة SNS وحساسية كاشفات النيوترينو الخاصة بهم لمراقبة المادة المظلمة في Neutrino Alley.

يقول شولبيرج: “ولم نر ذلك”. “بالطبع ، لو رأينا ذلك ، لكان الأمر أكثر إثارة ، لكن عدم رؤيته هو في الواقع مشكلة كبيرة.”

وأوضحت أن حقيقة أن المادة المظلمة لم يتم رصدها بواسطة أجهزة كشف النيوترينو الخاصة بها تسمح لها بتحسين النماذج النظرية لما تبدو عليه المادة المظلمة.

“نحن نعرف بالضبط كيف سيستجيب الكاشف للمادة المظلمة إذا كانت المادة المظلمة لها خصائص معينة ، لذلك كنا نبحث عن تلك البصمة المحددة.”

كيت شولبيرج ، مؤلف مشارك غرايسون ريتش وفيليب باربو. الائتمان: جامعة لونغ لي / ديوك

بصمة الإصبع المعنية هي الطريقة التي ترتد بها نوى الذرات في كاشف النيوترينو عندما تصطدم بالنيوترينو ، أو في هذه الحالة ، بجسيم المادة المظلمة.

قال بيرشي: “الأمر أشبه بإلقاء مقذوفات على كرة بولينج على قطعة من الجليد”. كرات البولينج ، في تشبيهه ، هي الذرات الموجودة في كاشف النيوترينو – والتي كانت في هذه التجربة عبارة عن بلورة يوديد السيزيوم 14.6 كجم. “يمكنك أن تخبر الكثير عن المقذوفة والقوة التي ألقيت بها من خلال مدى ارتداد كرة البولينج عند ملامستها.”

عندما يتعلق الأمر بالمادة المظلمة ، فإن أي معلومات هي معلومات جيدة. لا أحد يعرف ما هو حقا. منذ ما يقرب من 100 عام ، أدرك الفيزيائيون أن الكون لا يمكن أن يتصرف بالطريقة التي كان يتصرف بها إذا كان كل ما يحتويه هو الأشياء التي يمكننا رؤيتها.

قال جيسون نيوباي ، رئيس مجموعة أبحاث النيوترينو في مختبر أوك ريدج الوطني والمؤلف المشارك للدراسة: “إننا نسبح في بحر من المادة المظلمة”. إجماع علماء الفيزياء على أن المادة المظلمة تشكل 85٪ من كتلة الكون. يجب أن يكون خاضعًا للجاذبية لشرح سلوك الكون ، لكنه لا يتفاعل مع أي نوع من الضوء أو الموجات الكهرومغناطيسية ، ويظهر مظلمة.

يحمل جيسون نيوبي والمؤلف المشارك يوري إفريمينكو كاشف نيوترينو يوديد السيزيوم الصغير جدًا 14.6 كجم المستخدم للبحث عن المادة المظلمة في Neutrino Alley. الائتمان: جينيفيف مارتن / مختبر أوك ريدج الوطني ، وزارة الطاقة الأمريكية

قال بيرشي: “لقد تعلمنا ذلك من خلال النظر إلى المجرات الكبيرة التي تدور حول بعضها البعض ، ورأينا أنها تدور بطريقة أسرع مما ينبغي ، مما يعني ضمناً أن لديها كتلة أكبر مما تبدو عليه”. “لذلك نحن نعلم أن هناك أشياء إضافية هناك ، نحتاج فقط إلى معرفة مكان البحث عنها.”

قال نيوباي: “على الرغم من أننا في معظم الأحيان لا توجد نتائج ، فمن المهم حقًا أن تنظر في كل مكان ، ثم يمكنك استبعاد عدد كامل من الاحتمالات والتركيز على منطقة جديدة مع إستراتيجية بدلاً من مجرد استخدام نهج “السباغيتي على الحائط”.

دانيال بيرشي. الائتمان: جامعة ديوك

قال شولبيرج: “نحن نوسع نطاق وصولنا إلى أي نماذج يمكن أن توجد للمادة المظلمة ، وهذا أمر قوي للغاية”.

وتشير إلى أن الإنجاز لا يتوقف عند هذا الحد: فقد سمحت التجربة أيضًا للفريق بتوسيع نطاق البحث العالمي عن المادة المظلمة بطريقة جديدة.

قال بيرشي: “إن تقنية الكشف النموذجية هي الذهاب تحت الأرض ، وبناء كاشف حساس للغاية ، وانتظار مرور جسيمات المادة المظلمة”.

المشكلة؟ قد تنتقل جسيمات المادة المظلمة في الهواء بهدوء. إذا كانت أيضًا خفيفة جدًا ، فقد لا تصل إلى الكاشف بطاقة كافية لإنشاء بصمة يمكن اكتشافها.

يعالج الإعداد التجريبي لفريق COHERENT هذه المشكلة.

قال بيرشي: “عندما تذهب إلى المسرع ، فإنك تنتج تلك الجسيمات بطاقة أعلى بشكل ملحوظ”. وهذا يمنحهم الكثير الجاذبية لضرب النوى وإظهار إشارة المادة المظلمة. “

اذن ماذا الان؟ لم يعد الأمر إلى لوحة الرسم تمامًا. يستعد Neutrino Alley حاليًا لتلقي كاشف أكبر وأكثر حساسية ، والذي ، جنبًا إلى جنب مع معايير البحث المكررة من COHERENT ، سيحسن بشكل كبير فرص التقاط أحد هذه الجسيمات الشيطانية.

قال بيرشي: “نحن على عتبة حيث يجب أن تكون المادة المظلمة”.

المرجع: “المسبار الأول للمادة المظلمة Sub-GeV وراء التوقعات الكونية باستخدام كاشف COHERENT CsI في SNS” بقلم D. Akimov et al. ، 3 فبراير 2023 ، رسائل المراجعة البدنية.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.051803