مطاردة المادة المظلمة

من أسفل لأعلى من الداخل لتجربة المادة المظلمة العظيمة زينون تحت الأرض

إنه لأمر مؤسف للفيزيائيين الفقراء الذين يبحثون عن المادة المظلمة - مادة غريبة ، يتألف منها حوالي ربع المادة في الفضاء ، ويتفاعلون مع بقية الكون فقط من خلال الجاذبية والتفاعل الضعيف. والأسبوع لا يمر دون إشارة جديدة من المادة المظلمة التي تثير اهتمام الفيزيائيين ، والتي تنشأ عند حدود الخطأ الإحصائي ، ثم تختفي ، تكسر آمالهم.

للبحث عن المادة المظلمة ، يتم إجراء عدد كبير من التجارب ، وحساء إلكتروني كامل من الاختصارات ، ويستخدم كل منها تقنيته وتقنيته الخاصة. لذا يتعين على الفيزيائيين أن يبحثوا عن شيء لا تعرفهم خصائصه الدقيقة. المشكلة هي أنه على الرغم من اكتشاف العديد من التلميحات للمادة المظلمة في العديد من التجارب ، إلا أنها لا تتسق مع بعضها البعض. إذا وضعت نتائج تجارب مختلفة بألوان مختلفة على رسم بياني واحد ، فستبدو وكأنها فن تجريدي.

قبل 6 سنوات ، كان خوان كولارد من جامعة شيكاغو مليئًا بالأمل للكشف المبكر عن المادة المظلمة. ولكن يبدو أن كل نتيجة لاحقة تشير إلى اتجاه جديد. ليس من المستغرب أن يبدأ تقريره بإعادة صياغة فيلم The Big Lebowski: "نحن عدميون ، ولا نصدق أي شيء".

قال كولار في مقابلة: "خلال السنوات القليلة الماضية ، يبدو أننا نطارد ذيلنا".

الخبر السار هو أنه ربما يكون هناك شيء ما ينمو مرة أخرى. يرى الفيزيائيون علامات في السماء وعميقة تحت الأرض ، ويبحثون عن علامات أخرى في مصادم هادرون الكبير ، الذي يشارك أيضًا في البحث عن المادة المظلمة. يصبح الهمس حول المادة المظلمة أعلى ، ويبدو أن العديد من الإشارات تبدأ في التقارب. الأخبار السيئة هي أن هذه التلميحات لا تزال غير متسقة ، وكل منها غير موثوق به للغاية ، وفقًا لكاثرين زوريك من جامعة ميشيغان. يشك العديد من الفيزيائيين في إمكانية العثور على علامات المادة المظلمة على الإطلاق. والبعض مدمن بشكل عام على العدمية ، مثل كولار ، الذي قال: "من الصعب ألا تكون عدميًا ، نظرًا لكيفية سير الأمور".

مسألة غامضة

المادة المرئية المعتادة - الكواكب والنجوم والمجرات وكل شيء آخر - لا تشكل سوى 4.9 ٪ من كل شيء موجود في الكون. يتكون معظمها ، 68.3 ٪ ، من الطاقة المظلمة ، المسؤولة عن التوسع المتسارع للفضاء. ويتكون الباقي - 26.8٪ - من مادة مظلمة.

إذا كان الفيزيائيون لا يعرفون بالضبط ماهية المادة المظلمة ، فإنهم متأكدون من وجودها. نشأ المفهوم في عام 1933 عندما حلل فريتز زويكي سرعات المجرات في عنقود واحد وخلص إلى أن جاذبية الجاذبية التي تمارسها المادة المرئية لا يمكن أن تبقي المجرات تتحرك بسرعات عالية من الهروب من الكتلة. بعد عقود ، وجدت فيرا روبين و كينت فورد دليلاً آخر على "المادة المظلمة" في زويكي بملاحظة النجوم تدور على حافة المجرات. كان من المفترض أن تتحرك النجوم بشكل أبطأ كلما كانت أبعد من مركز المجرات ، تمامًا مثلما تتحرك الكواكب الخارجية لنظامنا الشمسي حول الشمس ببطء أكثر. وبدلاً من ذلك ، تحركت النجوم الخارجية بسرعة مثل النجوم أقرب إلى المركز ، لكن المجرات لم تتحلل. شيء يكمل سحب الجاذبية.

لم تكن المادة المظلمة هي التفسير الوحيد. ربما كان من الضروري إصلاح نموذج أينشتاين للجاذبية. تم اقتراح العديد من النماذج البديلة ، مثل MOND (الديناميكيات النيوتونية المعدلة). كانت روبين نفسها تميل إلى ذلك ذات مرة ، وقالت في مقابلة مع New Scientist في عام 2005 أنه "كان خيارًا أكثر جاذبية من الكون المليء بنوع جديد من الجسيمات دون النووية."


الكتلة الإجمالية للرصاص في مجموعة الرصاصة أصغر بكثير من كتلة غيوم في الكتلة ، تتكون من غاز ساخن ينبعث من الأشعة السينية (باللون الأحمر). تظهر المناطق الزرقاء ، التي هي أكبر من جميع المجرات والسحب معًا ، توزيع المادة المظلمة

لكن الطبيعة تنحرف عن تفضيلاتنا الجمالية. في عام 2006 ، وضعت الصورة المدهشة لمجموعة الرصاص (1E 0657-56) حدا لهذا السؤال. وقد ظهرت عليه مجموعتان من المجرات تمران عبر بعضهما البعض ، وتسببت غازاتهما المتصادمة في حدوث موجة صدمة في شكل رصاصة. تبين أن نتائج التحليل كانت مفاجئة: الغاز الساخن (المادة العادية) المتراكمة في تكوينات أكثر كثافة في المركز الذي حدث فيه التصادم ، ومن ناحية أخرى ، ما يمكن أن يكون فقط المادة المظلمة المتراكمة. عندما تصطدم العناقيد ، تمر المادة المظلمة مباشرة ، حيث نادرًا ما تتفاعل مع المادة العادية.

يقول دان هوبر ، الفيزيائي بجامعة شيكاغو: "أعتقد أنه في هذه المرحلة يمكننا التأكد من وجود المادة المظلمة". "على حد علمي ، لا توجد نظرية واحدة معدلة عن الجاذبية تشرح ذلك."

أحد المرشحين الرئيسيين لجسيمات المادة المظلمة هو فئة الجسيمات الضخمة التي تتفاعل بشكل ضعيف ، WIMP ، على غرار الجسيمات دون الذرية الأخرى ، النيوترينو ، والتي نادرًا ما تتفاعل أيضًا مع مادة أخرى. بعد اكتشاف بوزون هيجز ، انتهى عصر واحد من فيزياء الجسيمات ، ويتحول انتباه الجمهور إلى اكتشاف رئيسي جديد. قال عالم الكونيات مايكل تورنر من جامعة شيكاغو إنه يعتبر هذا العقد هو عقد WIMP .

إشارة / ضوضاء

كان معظم المنظرين يميلون في البداية إلى متغير WIMP الثقيل ، ويعتقدون أن المادة المظلمة تتكون من جزيئات تزن حوالي 100 GeV. تقاس كتل الجسيمات دون الذرية بوحدات طاقة الكتلة ، الإلكترون فولت. على سبيل المثال ، كتلة البروتون هي 1 GeV. لكن يبدو أن أحدث الأدلة تدعم خيار جزيئات الضوء ، حيث تتراوح كتلتها بين 7 و 10 ج.ف. وبسبب هذا ، يصعب تسجيلها مباشرة ، حيث تعتمد العديد من التجارب على قياس ارتداد النواة.

تُجرى مثل هذه التجارب عادةً في أعماق الأرض - من أجل تصفية أفضل للأشعة الكونية ، والتي يمكن الخلط بينها بسهولة مع إشارات المادة المظلمة. وهي تشتمل على كاشف يحتوي على مواد هدف مختارة بعناية ، على سبيل المثال ، بلورات الجرمانيوم أو السيليكون ، أو الزينون السائل. ثم ينتظر الفيزيائيون حالات نادرة من اصطدام جزيئات المادة المظلمة والنوى الذرية للمادة المستهدفة. يجب أن ينتج عن ذلك ومضات ضوئية ، وإذا كانت ساطعة بما يكفي ، فسوف يسجلها الكاشف.

وهذا يعني أنه من أجل الكشف عن جسيم المادة المظلمة ، يجب أن تحمل طاقة كافية لإنتاج إشارة تتجاوز عتبة حساسية الكاشف عندما تصطدم بالنواة. و WIMPs خفيفة الوزن أقل احتمالا للقيام بذلك. يقول نيل وينر من جامعة نيويورك أن الفرق في سيناريوهات WIM هو نفس الفرق بين الاصطدامات بين كرات البولينغ وكرة كرة الطاولة مع كرة البولينج. يقول: "إن الجسيمات الثقيلة حركياً أسهل بكثير في نقل هذه الطاقة من الضوء".

كيف يبحث الفيزيائيون عن المادة المظلمة؟ انظر إلى الاندفاعات في البيانات التي جمعتها أجهزة الكشف. يتم تحديد قوة الإشارة من خلال عدد الانحرافات الإحصائية القياسية ، أو سيغما ، من قيمة الخلفية المتوقعة. غالبًا ما تتم مقارنة هذا المقياس بذيول العملة عدة مرات متتالية. نتيجة ثلاثة سيجما هي بالفعل تلميح خطير ، يعادل فقدان عملة من جانب واحد تسع مرات على التوالي.

يتم تخفيف أو اختفاء العديد من هذه الإشارات ، لتصبح أقل أهمية من الناحية الإحصائية مع ظهور البيانات الجديدة. المعيار الذهبي للاكتشاف هو خمسة سيغما ، أي ما يعادل الوقوع في 21 ذيول على التوالي. إذا قام العديد من الأشخاص بقلب العملات المعدنية في نفس الوقت ، وكان لدى الجميع ذيول عدة مرات متتالية - أو وجدت العديد من التجارب إشارة بثلاثة سيغما في فجوة كتلة واحدة - حتى تصبح النتيجة غير مرجحة ممكنة.

بعض تلميحات المادة المظلمة تقع في منطقة صعبة تبلغ 2.8 سيغما. قال ماثيو باكلي من مختبر المعجل الوطني: "قد يتم رفض كل هذه النتائج الواعدة في غضون أسبوع". إنريكو فيرمي (فيرميلاب). "لكن مثل هذه الأشياء تبدأ دائمًا بالتلميحات." عند جمع المزيد من البيانات ، يصبح التلميح أكثر أهمية من الناحية الإحصائية. "

ضجيج الخلفية يعقد المهمة. "أنت تبحث عن" إشارة. كتب ماثيو ستراسلر ، الفيزيائي بجامعة روتجرز ، على مدونة في يوليو 2011 ، "الخلفية" هي كل شيء آخر يشبه إشارتك ويجعل من الصعب العثور عليها ". وأضاف لاحقًا: "إذا لم تأخذ في الاعتبار الخلفية الصغيرة ، فستظهر عادةً على شكل تصادمات إضافية منخفضة الطاقة ، والتي سوف تشبه إلى حد كبير مصابيح WIMPs الخفيفة. وبعبارة أخرى ، تبدو المادة المظلمة الفاتحة وكأنها إشارة خاطئة ".

شبه ستراسلر المهمة بمحاولة العثور على مجموعة من الأشخاص في غرفة مليئة بالناس . إذا كان أصدقاؤك سيرتدون نفس السترات الحمراء الزاهية ، وسيرتدي الجميع ملابس من ألوان أخرى ، سيكون من السهل العثور على إشارة. إذا كان الأشخاص الآخرون سيرتدون سترات حمراء زاهية ، فستخفي مجموعات عشوائية من الغرباء الإشارة. تخيل أنك قدرت بشكل غير صحيح عدد الأشخاص في السترات الحمراء ، أو حتى أنك مصاب بعمى الألوان. في أي من هذه الحالات ، ستستنتج الاستنتاج الخاطئ: أنك وجدت أصدقائك عندما تكون الإشارة في الواقع عبارة عن مجموعة عشوائية من الغرباء.

دليل اليوم

على الرغم من هذه التحديات ، أدت التجارب المختلفة إلى بعض النتائج الواعدة ، وإن كانت مثيرة للجدل. قبل أكثر من عشر سنوات ، وجدت تجربة DAMA / LIBRA (البحث عن مادة مظلمة باستخدام كاشف يوديد البوتاسيوم مع إضافة الثاليوم) ، التي تقع في أعماق جبل Gran Sasso d'Italia في وسط إيطاليا ، تقلبات صغيرة في عدد التصادمات سنويًا. قالت مجموعة من العلماء إنهم اكتشفوا جسيم المادة المظلمة على شكل WIMP خفيف يزن حوالي 10 GeV.


داما / ليبرا

أثار علماء فيزيائيون آخرون شكوكًا خطيرة. على الرغم من أن الإشارة من DAMA / LIBRA كانت حقًا ، فقد تكون دليلاً على شيء آخر. حقيقة أنه في تجربة أخرى ، فشل XENON10 ، الموجود في أحشاء الجبل نفسه ، في الكشف عن الإشارة في فجوة الطاقة نفسها ، لم يساعد. حدث الشيء نفسه مع تجربة CDMSII ، التي أجريت في منجم عميق في السودان ، مينيسوتا. كانت كلتا التجربتين الأخيرتين حساستين بما يكفي للكشف عن إشارة لهذه الطاقة إذا كانت نتيجة DAMA / LIBRA مرتبطة حقًا بالطاقة المظلمة.

اكتشفت تجربة أخرى ، CRESST ، إشارة. لكنها لم تتوافق تمامًا مع الإشارة الواردة من DAMA / LIBRA ، ولا يمكن لتحليلها أن يأخذ في الاعتبار جميع ضوضاء الخلفية المحتملة التي يمكن أن تحاكي الإشارة المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك ، أغضبت DAMA / LIBRA العلماء برفضهم مشاركة البيانات مع الجمهور حتى يتمكن الآخرون من دراستها.

عند مناقشة الاختلافات بين التجارب ، غالبًا ما تغلي العواطف. يقول بوكلي: "يحدث أنك تقوم بإعداد تقرير عن المادة المظلمة ، وينتهي كل ذلك في قتال".

ولكن تبين أن نتيجة مجموعة العلماء الإيطاليين كانت مستقرة تمامًا. قرر كولار ، إلى جانب النقاد المتحمسين الآخرين ، إثبات مغالطة اكتشافات DAMA / LIBRA من خلال تنظيم تجربته ، المسماة CoGeNT . في عام 2011 ، انهارت هذه الخطة ، حيث أكد التحليل الأولي لبيانات CoGeNT النتائج.

يقول Kolar: "لقد بنينا CoGeNT بهدف فضح DAMA ، والآن نحن عالقون فجأة في نفس مساحة المعلمة". ومع ذلك ، بسبب حريق في منجم السودان الذي حدثت فيه التجربة ، تم الحصول على الاكتشافات الأولية من البيانات التي تغطي فترة 15 شهرًا فقط. ويظهرون إشارة 2.8 سيغما أخرى. يقوم فريق Kolar الآن بتحليل البيانات التي تم الحصول عليها لكل ثلاث سنوات ونصف من التجربة ، والتي يجب أن تعزز هذه الإشارة - إذا كانت حقيقية.


تجربة CoGeNT

لم تختف الشكوك. تظهر نتائج CDMSII ثلاثة أحداث من نفس المنطقة الجغرافية العشرة. قبل ذلك بعامين ، تم تسجيل حدثين مشابهين للمادة المظلمة على CDMSII ، ولكن بعد التحليل الدقيق تم التخلص منهما. يقول زوريك "هذه المرة" كان لدينا ثلاثة أحداث واضحة.

تقول: "إذا رأى شخص ما مادة مظلمة ، فستبدو بهذه الطريقة". ولكن نظرًا لحقيقة أنها لا تزال في حدود 2.8 سيغما ، "فلن يصدق أحد أن هذه الأحداث الثلاثة كانت بسبب مادة مظلمة حتى يراها شخص آخر." وقد دفعت أحدث الأدلة بالفعل علماء الفيزياء مع XENON10 لمراجعة تحليلهم ، واستنتاج أنهم رفضوا خطأ تلميحات WIMPs الرئوية الموجودة في DAMA / LIBRA.

فجأة ، يكون متغير WIMP الخفيف محتملًا على الأقل ، وهو مدعوم بتحليل Hooper لأشعة جاما المنبعثة من مركز درب التبانة ، مما يدل على تلميحات لإشارة المادة المظلمة المقابلة لمتغير 10 GeV.

لكن هذا ليس الخيار الوحيد. WIMP بدون ديناميكيات مثيرة للاهتمام - بغض النظر عن مقدار كتلتها - هو أبسط نسخة من المادة المظلمة. يمكن أن يكون هناك عدة أنواع من جزيئات المادة المظلمة ، مع أنواع مختلفة من التفاعلات من خلال قوى الظلام التي تشكل "القطاع المظلم" من الكون ، والذي بدأ المنظرون باستكشافه للتو. يعتقد وينر أن النماذج ذات القوة المظلمة هي "الطريقة الأكثر وضوحًا لشرح بعض هذه الحالات الشاذة" ، لكنه يحذر من أن عرض النموذج الأولي لا يزال بعيدًا. توافق زيورك: "من حيث المبدأ ، يمكننا تدوين أي عدد من النظريات ، لكن الطبيعة ستحتاج فقط إلى اختيار واحدة" ، كما تقول.

متى يمكننا معرفة ما إذا كانت كل هذه التلميحات حقيقية؟ ربما خلال العام ، ربما سيتعين عليها الانتظار لفترة أطول. ومع ذلك ، قد يواجه الفيزيائيون الذين يحاولون العثور على مادة مظلمة قريبًا قيودًا أكثر واقعية: تخفيضات الميزانية. مجموعة متنوعة من التجارب مهمة لعمليات البحث. "نظرًا لأننا لا نعرف بما تتفاعل المادة المظلمة مع فيزياء الجسيمات مع الطبيعي ، فإن العديد من التجارب المختلفة تقلل من فرصة فقدان المادة المظلمة بسبب الاختيار الخاطئ ، وإذا تم العثور على شيء ما في العديد من التجارب ، فسيكون من الممكن تجاهل النماذج النظرية بشكل أسرع" قال باكلي. ومع ذلك ، فإن جميع التجارب مطلوبة لإبلاغ النتائج إلى وزارة الطاقة الأمريكية ، وستكون 2-3 فقط قادرة على البقاء على قيد الحياة.

يقول كولار: "تقوم الإدارة بترتيب الأمور". - التنوع جيد ، لكن كمية المال محدودة. إذا فشلت أجهزة الكشف قيد الإنشاء ، فسيكون من الصعب جدًا العثور على الدافع للاستمرار. "

ملاحظة المترجم منذ كتابة المقال الأصلي:

• تم تحديث كاشف CRESST في عام 2015 ، مما زاد من الحساسية 100 مرة بحيث أصبح الآن قادرًا على اكتشاف جزيئات المادة المظلمة مع كتلة تساوي تقريبًا كتلة البروتون. يتم استبداله بتجربة صفيف السعرات الحرارية حدث نادر تحت الأرض الأوروبية (EURECA).
• تم استبدال كاشف CDMSII بكاشف SuperCDMS من الجيل التالي
• تمت معالجة نتائج تجربة CoGeNT ، وخلص إلى أن الإشارات المستقبلة على أنها WIMP كانت غير محسوبة لضوضاء الخلفية.
• في عام 2016 ، تم استبدال كاشف XENON10 بجهاز XENON1T الأكثر حساسية ، مما زاد من الحساسية 100 مرة.
• لإعادة إنتاج مستشعر DAMA / LIBRA في أستراليا ، يتم بناء مختبر Stawell للفيزياء الجوفية (SUPL).
• اعتبارًا من فبراير 2017 ، لم يتم الحصول على أدلة مقنعة لكشف جزيئات المادة المظلمة.