البحث عن المادة المظلمة هو أمر مثير للفضول. إنها ، بكل معنى الكلمة ، رصاصة في الظلام. على الرغم من أن العلماء على يقين من ذلك المادة المظلمة موجود – نظرًا لأن كل المواد الطبيعية في الكون لا يمكنها ببساطة تفسير الطريقة التي تتماسك بها المجرات معًا – فهم لا يعرفون ما هو. كما أنهم لا يعرفون حقًا مكانه (على الرغم من أن لديهم بعض الأفكار). وهم بالتأكيد لا يعرفون كيف يبدو.
ومع ذلك ، يحرص المجتمع الفيزيائي على التحقيق في هذه الجسيمات المراوغة لأن الجانب المظلم من كوننا يمثل نسبة مقلقة من كوننا تبلغ 95٪ عند أخذها في الاعتبار الطاقة المظلمة، القوة غير المرئية التي تسرع تمدد الفضاء.
لكن كيف يحلل المرء شيئًا ما دون أن يعرف حقًا ما يجب تحليله؟ حسنًا ، هناك طريقة واحدة. على الرغم من عدم معرفة ماهية المادة المظلمة حتى الآن ، يمكن للعلماء ببطء اكتشاف ما هو ليس كذلك.
هذا هو بالضبط ما فعله العديد من الباحثين الذين كرسوا أنفسهم للبحث مؤخرًا من خلال غربلة البيانات التي تم التقاطها بواسطة كاشف مدفون بعمق داخل منجم في مينيسوتا. على الرغم من أنهم لم يعثروا على دليل على وجود المادة المظلمة ، إلا أنهم يقولون إنهم وضعوا أحد أضيق الحدود على الإطلاق لاكتشاف هذه الظاهرة يومًا ما. كان الخطوط العريضة الكاملة لنتائجهم نشرت في يونيو في مجلة Physical Review D.
قال دانيال جاردين ، المؤلف المشارك للدراسة وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة نورث وسترن ، لموقع ProfoundSpace.org: “الأمر كله يتعلق بالعقلية في العلوم ، حيث يمكن أن تكون النتيجة الفارغة مؤثرة مثل النتيجة الإيجابية”. “من الواضح أنه كان من الرائع العثور على المادة المظلمة ، لكننا تمكنا من استبعاد شريحة جديدة من مساحة معلمة المادة المظلمة.”
متعلق ب: يمكن أن تلقي الفوتونات “الخفية” الضوء على المادة المظلمة الغامضة
ترتبط هذه الاكتشافات الأخيرة بالتعاون Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS) ، والذي يعد Jardin عضوًا فيه.
لتوضيح الأمر بإيجاز ، استنتج الفريق أن الكاشف التجريبي SuperCDMS يمكنه الآن استبعاد جسيمات المادة المظلمة وصولا الى حوالي حوالي خمس كتلة البروتون – وربما كتل أقل.
قال جاردين: “لطالما أحببت مطاردة المجهول ، وهذا كبير كما هو”. “أنا سعيد جدًا لأن مسيرتي المهنية قادتني إلى هنا ، ومهما كانت قصيرة ، يمكنني القول دائمًا أن هذه النتيجة كانت الأفضل في العالم إلى أن تلحق التجارب الأخرى حتمًا.”
انتظر ، ما هو SuperCDMS؟
لالتقاط دليل على جزيئات المادة المظلمة ، يعمل تعاون SuperCDMS مع تجربة يشار إليها أيضًا باسم SuperCDMS.
تسخر هذه التجربة بشكل أساسي قوة أجهزة الكشف التي يمكنها تحديد ما إذا كان جسيم المادة المظلمة (أيا كان) يتصادم ومتى يصطدم بالنواة الذرية للمواد المضمنة في الكاشفات نفسها ، وتحديدًا إما الجرمانيوم أو السيليكون.
قال جاردين: “لقد كنت مهتمًا بالفضاء منذ أن كنت صغيرًا لأنه يجعل كل شيء على الأرض يبدو صغيرًا جدًا وغير مهم”. “ثم تعلمت عن المادة المظلمة ولم أصدق أن كل النجوم والمجرات والأشياء التي نراها في سماء الليل تشكل أقل من 5٪ من الكون.”
للحصول على مزيد من التقنية ، يمكن لـ SuperCDMS تحديد ما إذا كانت جسيمات المادة المظلمة هذه تشارك في ما يعرف باسم “الاصطدامات المرنة”. إذا فعلوا ذلك ، فإن ما سيحدث هو أن أي طاقة يفقدها جسيم المادة المظلمة عند تحطمها ستنتقل إلى حركة النواة الذرية المتأثرة. في المقابل ، سترتد البتتان.
كما يقول المؤلف المشارك في الدراسة ، نوح كورينسكي ، وهو عالم في مختبر SLAC National Accelerator Laboratory ، سيكون الأمر مثل كرتين من البلياردو تتصادمان ببعضهما البعض فقط لترتد قليلاً إلى الخلف على الطاولة.
ولكن هذا هو الشيء.
من الواضح أن SuperCDMS لم يعثر على أي اصطدامات مرنة حتى الآن – حسب Jardin ، كنا قد سمعنا عن ذلك الآن لأن مثل هذا الاكتشاف من المحتمل أن يكسب جائزة نوبل. ومع ذلك ، فإن هذا الفريق من الباحثين ، بما في ذلك روب كالكينز ، أستاذ مساعد باحث في جامعة Southern Methodist ، جاء بسؤال مثير للاهتمام.
ماذا لو كان SuperCDMS يلتقط نوعًا آخر من الاصطدام لم يكن أحد يبحث عنه طوال هذا الوقت؟ على وجه الخصوص ، الاصطدامات غير المرنة.
وبالنظر إلى هذه النتائج الجديدة ، كان من المؤكد أنهم كانوا على وشك تحقيق شيء ما.
أوضح جاردين أن “البحث عن الاصطدامات المرنة لا يزال هو الدافع الرئيسي لـ SuperCDMS ، ولكن النظر في التصادمات غير المرنة فتح طريقًا لمساحة معلمة المادة المظلمة التي لم تكن التجربة حساسة لها من قبل”.
هناك طريقتان قد يعمل بها تصادم محتمل للمادة المظلمة غير المرنة. الأول ، وفقًا للفريق ، يتعلق بشيء يسمى إشعاع Bremsstrahlung. في الكاشف ، إذا حدث هذا النوع من الاصطدام غير المرن ، فإن جسيم المادة المظلمة سينقل بعض طاقته إلى جسيم خفيف ، أو الفوتون ، بدلاً من مجرد الارتداد كما في مثال كرة البلياردو.
على الرغم من أنه من ناحية أخرى ، قد يحدث تصادم غير مرن من خلال شيء يسمى تأثير ميدجال. إذا حدث هذا الإصدار ، فإن جسيم المادة المظلمة الذي يصطدم بالنواة من شأنه أن يتسبب في خروج النواة نفسها من موضعها ، مما يؤدي إلى إفساد توزيع السحابة الإلكترونية. عند العودة إلى مكانها الأصلي ، سيتم طرد بعض تلك الإلكترونات المتدفقة.
في خطر التبسيط ، هذا يعني أن الفريق كان يبحث عن إشارات SuperCDMS إما لفوتون طائر أو متشدد إلكتروني وحيد.
وأشار جاردين: “لم يكن الأمر سهلاً مثل العد”. “استخدم هذا التحليل الأشكال الطيفية لنمذجة ملف الطاقة للإشارة بالإضافة إلى العديد من مصادر الخلفية المعروفة.”
وبعد كل ذلك ، ظهر البحث فارغًا – لكن القصة لم تنته هنا.
وتابع جاردان: “ثم استخدمنا الإحصائيات للإجابة على السؤال” ما هو احتمال أن نرى الإشارة على الخلفية المعروفة؟ ” يتكرر هذا السؤال مئات الآلاف من المرات ونستبعد مساحة المعلمة حيث كان من المفترض أن نكون قادرين على رؤية الإشارة ولم نتمكن من ذلك “.
هناك دائما جانب مضيء
قال جاردين: “هناك ما يقرب من مليار جسيم من المادة المظلمة تمر عبرك كل ثانية ، لكنها نادراً ما تتفاعل بحيث لا يمكنك معرفة ذلك”. “نحن نبحث عن فرصة تفاعل 1 في مليار مليار مليار مليار.”
على الرغم من عدم العثور على هذه التذكرة الذهبية ، إلا أن أشكال أخرى من الكنوز ظهرت للضوء.
قبل كل شيء ، كل تلك الدراسات الإحصائية حول إشارات SuperCDMS انتهى بها الأمر بتزويد الفريق باستنتاجاتهم حول حدود الكتلة المنخفضة المحتملة لجسيمات المادة المظلمة.
“نشرت تجربة أخرى للمادة المظلمة لم تكن حساسة لكتلة المادة المظلمة منخفضة مثل SuperCDMS للتصادمات المرنة تحليلًا مشابهًا أدى إلى توسيع مدى وصولها وتسوية مجال اللعب. بقراءة ذلك ، تساءلنا إلى أي مدى يمكن أن نصل إلى أقل إذا استخدمنا نفس الطريقة “، قال جاردين.
بالإضافة إلى ذلك ، كما أوضح ، فإن الفريق أيضًا “أضاف المزيد إلى التحليل مثل الإحصائيات الأكثر تعقيدًا وإدراج التفاعلات مع الأرض”.
نعم ، الأرض
ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو الطريقة التي أخذ بها الفريق في الاعتبار أن الكل أرضيمكن أن يؤثر موضعه في الفضاء على إشارات المادة المظلمة هذه.
كما أوضحوا ، إذا كانت المادة المظلمة تتفاعل بقوة كافية مع الأشياء ، فمن المحتمل أنها تتفاعل حرفيًا مع كل شيء في طريقها في طريقها إلى كاشفاتنا الأرضية الصغيرة تحت الأرض. أحد تلك الأشياء المهيأة للتفاعل هو الغلاف الجوي لكوكبنا.
واستنتج الفريق أنه إذا تفاعل جسيم المادة المظلمة مع غلافنا الجوي ، فإن هذا الدرع الكوكبي سيأخذ بعضًا من طاقة الجسيم بحلول الوقت الذي نلتقط فيه إشاراته.
قال جاردين: “يُعتقد أن المادة المظلمة موجودة في كل مكان إلى حد ما في كرة كبيرة حول المجرة”. “نظامنا الشمسي في ذراع حلزوني من درب التبانة أي أن الأرض تدور حول الشمس والأرض تدور حول محورها. تعني هذه الحركة الفلكية أن الأرض تمر عبر بحر جسيمات المادة المظلمة ، ولكن من منظورنا ، يبدو أن جسيمات المادة المظلمة تقصف الأرض وكواشفنا باستمرار “.
وبالتالي ، أدرك الباحثون أنه من المحتمل أن يكون هناك حد أعلى للطاقة يمكن أن تثقبه جسيمات المادة المظلمة التفاعلية هذه – إذا كانت هذه تفاعلية ، أي.
من خلال نمذجة أشياء مثل كثافة الغلاف الجوي للأرض ، والعمل مع الجيولوجيين لمعرفة أنواع الصخور الموجودة فوق منجم مينيسوتا حيث دفن SuperCDMS وأطنان من المتغيرات الأخرى ، فقد اكتشفوا بالفعل حدود طاقة المادة المظلمة العليا.
قال جاردين: “عندما تلائم خطًا مع بعض البيانات ، يكون هناك معلمتان: الانحدار والاعتراض”. “في هذا التحليل ، كان لدينا أكثر من 50 معيارًا ملائمًا في وقت واحد.”
بالنسبة لما هو التالي ، حسنًا ، يقول جاردين إن هذا الاستنتاج على غرار شارلوك هولمز سيستمر. وإذا حدث أي من ذلك في ذهنك ، فقد أكد على طريقة بصرية للنظر إلى نتائج الفريق التي تضع كل شيء في نصابها الصحيح.
“هذه النتيجة – الخطوط السوداء – تستبعد بعض مساحة المعلمات الجديدة التي لم يصل إليها الآخرون من قبل ، ولكن هناك الكثير من المساحات المفتوحة إلى اليسار ، تمثل كتلًا أقل وأسفلًا ، مما يمثل فرصة أقل للتفاعل” ، قال. ويتزايد صعوبة التحقيق في هذه ، لكن علماء فيزياء المادة المظلمة أذكياء.
لقد وصل صيادو المادة المظلمة هؤلاء بالتأكيد إلى النجوم وتمكنوا من الهبوط بهدوء على القمر.
“متعطش للطعام. طالب. متحمس محترف للزومبي. مبشر شغوف بالإنترنت.”
:max_bytes(150000):strip_icc()/Survivor4603262403-bc77672556f243dba2e5337d926fa3b0.JPG)
More Stories
حقبة جديدة: انطلاق حملة الإطلاق الأولى لآريان 6
أطلقت SpaceX صاروخ Falcon 9 في المهمة العشرين التي سجلت الرقم القياسي
العثور على أكثر المؤشرات الواعدة للحياة على كوكب آخر، بإذن من جيمس ويب