هل سنكتشف أبدًا ما هي المادة المظلمة؟

البحث عن مادة مراوغة يصل حده

بالنسبة لمعظم الفلكيين ، فإن المادة المظلمة حقيقية مثل النجوم والكواكب. نحن نبني بشكل روتيني خرائط توزيعها. نتخيل المجرات على أنها قطع من المادة المظلمة تتخللها العديد من المواد المضيئة. نحن نفهم تشكيل البنية الكونية وتطور الكون بأكمله ككل من وجهة نظر المادة المظلمة. ومع ذلك ، على مدى عقد من عمليات البحث المعقدة ، لم يتمكن أحد من اكتشاف المادة المظلمة مباشرة. نرى الظل يلقي بها ، ولكن ليس لدينا أي فكرة عما قد يكون مختبئًا في النصف المظلم من الكون.

هذه بالتأكيد ليست أشياء أو جزيئات عادية - تم استبعاد هذا الخيار منذ فترة طويلة. تتحدث الحجج النظرية لصالح نوع جديد من الجسيمات التي تتفاعل بشكل ضعيف مع المادة العادية. يجب أن يمر عدد كبير من هذه الجسيمات عبر كوكبنا في كل لحظة من الزمن ، ويجب أن نتوقع أن يترك بعضها أثرًا. قام الفيزيائيون بتنمية البلورات ، وملأوا خزانات التبريد ، ودفنوها في أعماق الأرض لاستبعاد الجسيمات العادية ، وبحثوا عن نبضات حرارية صغيرة ومضات ضوئية يجب أن تعطي شيئًا لم نره من قبل. وحتى الآن ، النتائج ليست مشجعة. في ليد ، داكوتا الجنوبية ، تجري تجربة لوكس ميل ونصف تحت الأرض في منجم ذهب مهجور. ولم أجد أي شيء. في الصين ، تجري تجربة PandaX في مختبر Jin-Ping Underground Laboratory في نفق تحت طبقة حجرية سميكة بطول 2.4 كم. لم يجد أي شيء. في نفق الطريق بالقرب من Frejus في جبال الألب الفرنسية ، لم تجد تجربة EDELWEISS ، التي تعمل على عمق 1.7 كم ، أي شيء. تستمر هذه القائمة.



تؤدي النتائج الصفرية إلى تضييق مساحات مساحة المعلمات بسرعة حيث يمكن إخفاء المادة المظلمة. بسبب النقص الحاد في البيانات ، بدأ الفيزيائيون النظريون في طرح نظريات حول جسيمات أكثر غرابة ، ولكن سيكون من الصعب اكتشاف معظم هؤلاء المرشحين. يمكن للمرء بدلاً من ذلك أن يأمل في الحصول على جسيمات المادة المظلمة في مسرّع الجسيمات ، وبالتالي استخلاص استنتاج حول وجودها: من خلال النظر لمعرفة ما إذا كانت الطاقة قد فقدت في تصادمات الجسيمات. لكن مصادم هادرون الكبير فعل ذلك بالضبط ، وحتى الآن لم يجد أي شيء من هذا القبيل. يشك بعض المنظرين في أنه لا توجد مادة مظلمة ، ونظريتنا عن الجاذبية - نظرية النسبية العامة لأينشتاين - قد ضلتنا. تخبرنا GTR أن المجرات سوف تتطاير إذا لم يتم تجميعها معًا بواسطة مادة غير مرئية ، ولكن ربما هذه النظرية خاطئة. ومع ذلك ، مرت النسبية العامة جميع الشيكات الملحوظة ، وجميع النظريات المتنافسة لها عيوب قاتلة.

خمسة وثمانون بالمائة من جميع المواد غير معروفة لنا. والأهم من ذلك ، نخشى أن يكون الأمر كذلك دائمًا.

على الرغم من أن معظم التجارب لم تسفر عن أي شيء ، إلا أن اثنتين منهم تزعم أنها اكتشفت مادة مظلمة. كلا البيانين مثيران للجدل للغاية ، ولكن لأسباب مختلفة. قد تكون خاطئة ، لكنها تستحق دراسة متأنية. تُظهر هذه الحالات ، على الأقل ، صعوبة العثور على المادة المظلمة بين رقاقات مادة الفضاء.

يبحث كاشف الجسيمات DAMA / LIBRA في مختبر Gran Sasso الوطني ، الذي يقع في نفق على بعد 1.4 كم تحت سطح جبل في شمال إيطاليا ، عن ومضات ضوئية ناتجة عن جزيئات المادة المظلمة المنتشرة من نوى ذرية في بلورة يوديد الصوديوم . لقد كان يجمع البيانات منذ ثلاثة عشر عامًا وسجل شيئًا غير عادي. يزداد عدد اكتشافات الجسيمات وينقص موسمياً ؛ الحد الأقصى في يونيو ، والحد الأدنى في ديسمبر.

هذا النوع من السلوك يمكن توقعه من المادة المظلمة. ويعتقد أنها تشكل سحابة واسعة تحيط بمجرة درب التبانة. نظامنا الشمسي ككل يتحرك عبر هذه السحابة. لكن الكواكب الفردية تتحرك عبر السحابة بسرعات مختلفة بسبب حركتها المدارية حول الشمس. تشهد سرعة الأرض بالنسبة إلى السحابة المقترحة الحد الأقصى في يونيو والحد الأدنى في ديسمبر. سيحدد ذلك السرعة التي تطير بها جسيمات المادة المظلمة عبر كاشف موجود على الأرض.

لا أحد ينكر أن داما تكشف عن تعديل موسمي مع دلالة إحصائية عالية جدا. لكن العديد من مصادر الجسيمات الأخرى تتقلب أيضًا بسبب المواسم - على سبيل المثال ، تدفقات المياه الجوفية (التي تؤثر على النشاط الإشعاعي في الخلفية) أو إنتاج جسيمات مثل الميونات في الغلاف الجوي. وفقا لأحدث التقديرات ، خمس تجارب أخرى حول قيود الحالة العالمية التي لا تتوافق مع ادعاءات DAMA. الطريقة الوحيدة للتحقق من النتائج هي تكرار التجربة مع نفس الكاشف في أماكن أخرى ، ويجري بالفعل إعداد العديد من هذه التجارب. يقع أحدها في القطب الجنوبي ، حيث تكون التأثيرات المحلية الموسمية خارج المرحلة وتختلف عن تلك الموجودة في إيطاليا.

جاء التلميح الثاني المثير للاهتمام للمادة المظلمة من تجارب غير مباشرة ، لا تبحث عن جسيمات مراوغة بشكل مباشر ، ولكن عن جسيمات ثانوية كان من المفترض أن تولدها عند التصادم مع بعضها البعض والإبادة اللاحقة. في عام 2008 ، كشف كاشف PAMELA (الحمولة النافعة لاستكشاف المادة / المادة والفيزياء الفلكية الخفيفة) ، مثبتًا على القمر الصناعي الروسي Resurs-DK ، والذي تم إنشاؤه من قبل متخصصين من روسيا وإيطاليا وألمانيا والسويد ، لاحظ حجمًا كبيرًا بشكل غير متوقع عدد البوزيترونات - نظائر الإلكترونات في المادة المضادة - القادمة من أعماق الفضاء. تم تأكيد الملاحظة مؤخرًا بواسطة مطياف ألفا المغناطيسي الموجود على متن محطة الفضاء الدولية. في غضون ذلك ، أفاد تلسكوب جاما الفيرمي عن توهج أشعة غاما المتناثرة المنتشرة من مركز المجرة. يتوافق شكلها مع المادة المظلمة - متناظرة كرويًا فيما يتعلق بمركز المجرة ، مع زيادة الكثافة نحو الوسط.

يكاد يكون من الجيد أن تكون حقيقة. لسوء الحظ ، يمكن أيضًا تفسير ملاحظات البوزيترونات وأشعة غاما من خلال النجوم النيوترونية سريعة الدوران ، النابض المللي ثانية. لا تتوافق معلمات البوزيترونات مع المرشحين المناسبين للمادة المظلمة. للتعامل مع هذه الحالة ، من الضروري التحقق مما إذا كانت البوزيترونات تأتي من اتجاهات من النجوم النيوترونية المعروفة. تُعزى تقلبات أشعة غاما بالفعل إلى النجوم النابضة الضعيفة في وسط المجرة. أيضًا ، إذا جاءت أشعة غاما من المادة المظلمة ، فسيتعين على الفلكيين اكتشاف إشارة مماثلة قادمة من المجرات القزمة المجاورة ، والتي تحتوي على حجم أكبر من المادة المظلمة نسبيًا من مجرتنا. لم يتم الكشف عن مثل هذه الإشارات.

تركز معظم محاولات البحث على أبسط مرشحي الجسيمات ، والمعروفين باسم WIMP ، الذين يتفاعلون بشكل ضعيف مع الجسيمات الضخمة. لكلمة "ضعيف" هنا معنى مزدوج: التفاعل ليس قويا ، ويحدث من خلال ما يسمى. ضعف التفاعل النووي . هذه الجسيمات هي امتداد طبيعي للنموذج القياسي في فيزياء الجسيمات. حتى بدون معرفة كل التفاصيل ، من الظرف "ضعيف" يمكنك أن تفهم عدد هذه الجسيمات التي يجب أن تكون في الكون. في حساء عصور ما قبل التاريخ الساخنة من الانفجار الكبير ، تم إنشاء الجسيمات وتدميرها بشكل طبيعي. مع تمدد الكون ، تنخفض درجة الحرارة ، وأنواع مختلفة من الجسيمات ، واحدة تلو الأخرى ، اعتمادًا على الكتلة ، تتوقف عن الظهور. يمكن أن يستمر تدمير الجسيمات بسرعة حسب قوة التفاعل ، حتى يتم توزيعها نادرًا جدًا بحيث يصطدم بعضها ببعض.

بالنظر إلى قوة تفاعل WIMP ، من الممكن إجراء الحسابات والعثور على كمية ملحوظة من المادة المظلمة يجب أن تظهر في مرجل الكون المبكر. يجب أن تزن الجسيمات الناتجة مئات المرات أكثر من البروتون. من الحسابات المرتبطة بالنموذج القياسي والتناظر الفائق ، يتبع ذلك وجود منطقة معلمة مناسبة لجسيمات المادة المظلمة - هذه الحقيقة كانت تسمى "معجزة WIM".

ولكن ربما يكون هذا هو الحال عندما تقتل حقيقة قبيحة فرضية جميلة. ينمو اليأس بين الفيزيائيين ، وهم يستكشفون بالفعل الخيارات التي كانت تعتبر في السابق من الدرجة الثانية والفرص غير المتوقعة.

ربما تكون جسيمات المادة المظلمة ضخمة للغاية. هناك حل وسط طبيعي - فكلما زاد حجم الجسيم ، قل الحاجة إليه لمطابقة الكتلة الإجمالية التي لاحظها علماء الفلك ، لذلك يمكن أن يكون هناك عدد قليل جدًا بحيث لا تلاحظها أجهزة الكشف. سيحتاج الفيزيائيون إلى استراتيجية بحث مختلفة تمامًا ، ربما تتعلق بتأثير هذه الجسيمات على النجوم النيوترونية القديمة أو الأجرام السماوية الأخرى.

على العكس من ذلك ، قد تكون جسيمات المادة المظلمة خفيفة جدًا بحيث لا تترك آثارًا في أجهزة الكشف الخاصة بنا. يمكن للفيزيائيين استخدام الكاشف المتوفر بالفعل لبحثهم: الشمس. يمكن للشمس التقاط الجسيمات عند التحرك عبر سحابة مجرة ​​من المادة المظلمة. يمكن أن تتناثر الجسيمات بواسطة البروتونات في الشمس وتغير صورة درجة حرارتها. سيؤثر ذلك على الحركة المضطربة لدوامات الغاز التي ترتفع وتهبط وتلتف في الطبقات العليا من الشمس. ويجب أن نكتشف ذلك بمساعدة علم الهليوزولوجيا ، وهو علم يدرس الاضطرابات التي تنتشر داخل الشمس وتأثيرها على سطحها - تمامًا مثل دراسة الزلازل. اتضح أن في علم الهليوسيولوجيا هناك حالات شاذة غير مبررة يصعب التوفيق بينها وبين النموذج القياسي للشمس.

إذا تراكمت جسيمات المادة المظلمة في الشمس ، فيمكنها أن تباد في قلبها. سيؤدي ذلك إلى ظهور النيوترينوات عالية الطاقة التي يمكن رؤيتها بواسطة أجهزة الكشف مثل Super Kamiokande في وسط اليابان و IceCube في القطب الجنوبي. حتى الآن ، لم ترد تقارير عن أحداث مناسبة لهذا الدور.

إن المثال الأكثر تطرفا للجسيمات خفيفة الوزن هو محو ، جسيم افتراضي ضعيف التفاعل ، مع كتلة أصغر تريليون مرة من كتلة البروتون. لن تكون مظلمة تمامًا ، ولكنها ستتفاعل مع المجال الكهرومغناطيسي وستكون قادرة على إنشاء فوتونات ميكروويف داخل أحواض المجالات المغناطيسية القوية. تعمل التجارب التي تحاول اكتشاف المحور منذ الثمانينيات ، ولم تحقق نجاحات أكثر من كاشفات WIMP.

ربما يكون الجسيم الداكن ليس جسيمًا على الإطلاق ، ولكنه "جسيم" ، كما قال أحد المنظرين. غير الجسيمات هي أقارب بعيدة للمجال الكهرومغناطيسي ، والتي لا تنقسم طاقتها إلى حزم منفصلة. يمكنهم ترك آثار غير مباشرة في بيانات المصادم. ربما يكون جوهر المادة المظلمة ليس الحل الوحيد. بعد كل شيء ، تتكون المادة العادية أيضًا من أنواع عديدة من الجسيمات. يمكن أن تتكون المادة المظلمة أيضًا من عدة مشاركين ، الأمر الذي سيعقد البحث ، لأن العلامات المزعومة لأي مرشح معين للجسيمات ستكون مشوشة. ربما لا تتفاعل المادة المظلمة على الإطلاق باستثناء الجاذبية. سيجعل هذا حياة المجربين أقرب إلى الكابوس.

بمعنى ما ، نحن في وضع يحلم به العلماء. الأفكار القديمة لا تعمل ، والأفكار الجديدة مطلوبة. يمكن أن تظهر بسبب دراسة أنواع جديدة من الجسيمات ، أو يمكننا اكتشاف نظرية جديدة متسقة للجاذبية ، والتي تسمح لنا بالتخلي عن المادة المظلمة.

لكن القلق المستمر هو أن الطبيعة أخفت الفيزياء الجديدة حيث لم نتمكن من العثور عليها. وعلى الرغم من أننا لم نستنفد بعد محاولات العثور على WIMPs ، فإن التجارب ليست قادرة على أكثر من ذلك بكثير. وكلما أصبحت أكثر حساسية للمادة المظلمة ، كلما كانت أكثر حساسية لجزيئات القمامة ، ولا يمكنها دائمًا التمييز بين بعضها البعض. بالمعدل الحالي للتطور ، في غضون عشر سنوات ، ستعميهم النيوترينوات المنبعثة من الشمس ، أو الأشعة الكونية التي تتصادم مع الغلاف الجوي للأرض.


يمكن أن تكون الشمس كاشفًا طبيعيًا للمادة المظلمة. يمكن لعلماء الفلك اكتشاف التغيرات في بنية طبقات الشمس تحت تأثير المادة المظلمة. تظهر الصورة باللون الأحمر المناطق التي تبتعد عنا ، وبالأزرق - تلك التي تقترب.

في هذه الحالة ، لا يزال بإمكاننا متابعة محاولات الكشف غير المباشر. واحدة من أكثر الواعدة هي Cherenkov Telescope Array ، وهي مجموعة تضم أكثر من مئات التلسكوبات الموجودة في تشيلي وفي جزيرة بالما . من بين المهام الأخرى ، سيبحث عن أشعة جاما التي تظهر في إبادة جزيئات المادة المظلمة في مجرتنا وغيرها. ولكن في مرحلة ما ، ستواجه استراتيجية البحث هذه مشكلة أخرى: التكلفة. حتى الآن ، تعد كاشفات المادة المظلمة من بين أكثر التجارب المادية الأساسية اقتصادا ، ولكن إذا كنا بحاجة إلى زيادة حجمها وحساسيتها وتعقيدها ، فقد تتجاوز تكلفتها الوحوش مثل مصادم الهادرون الكبير (حوالي 7 مليار دولار) والتلسكوب. جيمس ويب (حوالي 8 مليارات دولار) ، دون أي ضمان للنجاح - ومن الصعب جدًا بيعه للسياسيين.

أفضل أداة لاكتشاف جسيمات المادة المظلمة ستكون مصادم جديد. في مكان ما خلال ثلاثة عقود ، يخطط الفيزيائيون لبناء مصادم يتجاوز المصادم LHC في السلطة عدة مرات. تجري الأبحاث في كل من الصين وأوروبا. وفقًا لتقديرات تقريبية ، سيكلف 25 مليار دولار من دولارات اليوم. يمكن أن يكون هذا حقيقيًا إذا تم توزيع الحمل بمرور الوقت وبين عدة بلدان. ولكن من المحتمل أن يكون هذا هو الحد الأقصى. حتى لو كان لدى الفيزيائيين موارد غير محدودة ، فلن يكون هناك أي مكاسب من بناء شيء أكبر. علاوة على ذلك ، فإن أي جسيم غير معروف سيكون ضخمًا لدرجة أن الانفجار العظيم لم يكن من الممكن أن يولدها بكميات كافية.

على الرغم من كل هذه المحاولات المذهلة ، قد لا نكتشف الإشارات. هذا احتمال قاتم إلى حد ما. ربما لا توجد مادة مظلمة. نواصل البحث عن الانحرافات عن GR. حتى الآن ، لم يتم العثور على واحد. على العكس من ذلك ، دعم اكتشاف الثقوب السوداء من خلال موجات الجاذبية في عام 2016 نظرية آينشتاين - ونتيجة لذلك ، وجود المادة المظلمة.

ولكن هناك أيضًا جوانب إيجابية. قد تكون هناك أسرار واكتشافات مذهلة تتعلق بالجانب المظلم من الطبيعة التي لم نكن لنواجهها على الإطلاق إن لم يكن من أجل عمليات البحث هذه. بينما نبحث عن الجسيمات. وليس لدينا خيار سوى المضي قدما.

جوزيف سيلك عالم كونيات بجامعة أكسفورد ، ويعمل أيضًا في معهد الفيزياء الفلكية في باريس والجامعة. جون هوبكنز. رائد البحث في مجال إشعاع السلك وتشكيل البنية الكونية.