نظرة عامة موجزة عن تلميحات وجود المادة المظلمة - إشارات (تم العثور على اثنتين منها في السماء ، وأربع - تحت الأرض) ، مما قد يعني أن جسيمات المادة المظلمة تشارك في شيء مثير للاهتمام. قد تتحول بعض الإشارات إلى حقيقة ، ولكن ليس كل الإشارات الست ، حيث يتعارض بعضها مع بعضها البعض. هذا لا يجب أن يقلقك: موقف مماثل طبيعي تمامًا للعلوم المتقدمة ؛ البحث أمر معقد ، وأغلب التلميحات إلى شيء مدهش يتحول إلى سراب - حوادث إحصائية ، غرائب غير معروفة حتى الآن ، مشاكل في القياس ، أو ببساطة أخطاء تافهة. في حالة ، على سبيل المثال ، جسيم هيجز ، كان لدينا العديد من الإنذارات الكاذبة حتى أخيرًا ، تبين أن الإنذار صحيح. لذا يجب أن نتحلى بالصبر والحذر ، ولا نفقد الأمل ؛ الاكتشافات نادرة ، لكنها تحدث.
مادة مظلمة علوية
تشير المعلومات التي تم الحصول عليها من القمر الصناعي Fermi إلى أن تيارًا من الفوتونات من طاقات معينة (حوالي 135 GeV ، أي ، مع طاقة كتلة تبلغ حوالي 143 مرة أكثر من بروتون) ينبع من مركز المجرة. قد يكون هذا علامة على وجود جسيمات المادة المظلمة (يجب أن يكون هناك العديد من هذه الجسيمات تتحرك ببطء في دائرة في مركز المجرة) ، والتي تتصادم مع بعضها البعض ، وتبيد وتتحول إلى فوتونات.
باختصار ، يسير الأمر على هذا النحو: يضمن قانون الحفاظ على الطاقة تحويل طاقة جزيئين من المادة المظلمة المبيدة (ممثلة في الغالب كطاقة جماعية ، حيث تتحرك جسيمات المادة المظلمة ببطء شديد عبر المجرة) إلى طاقة حركة فوتونين - وبالتالي ، فإن الطاقة كل فوتون يساوي كتلة جسيم المادة المظلمة مضروبًا في c
2 .
هل أنا بحاجة للقلق من حقيقة أن هذه الإشارة قد لا تكون على ما يبدو؟ مشكلة صغيرة هي أن
WIMP القياسي (وهو جسيم ضخم يتفاعل مع المادة من خلال تفاعل نووي ضعيف) لا يمكنه إنتاج مثل هذه الإشارة دون إعطاء إشارات أخرى يجب أن نراها أيضًا (على سبيل المثال ، عدد كبير من البروتونات ذات الطاقة المنخفضة) . لكن شعبية WIMPs مبالغ فيها قليلاً ، وأنواع أخرى من جسيمات المادة المظلمة ، والتي تصورها المنظرون لسنوات عديدة ، قادرة تمامًا على القيام بكل ما هو ضروري.
المخاوف الأكثر خطورة هي أن الإشارة لا تأتي فقط من مركز المجرة ، ولكنها تأتي أيضًا من حافة طرف الأرض ، وربما من الشمس. مثل هذا السلوك من إبادة المادة المظلمة لا يمكن توقعه. وحقيقة أن هذه الإشارة تظهر في أماكن غريبة حيث لم يكن متوقعًا يمكن أن تعني أن كل هذا مجرد مشكلة غير واضحة مع كاشف الفيرمي الفيرمي. لا أحد يعرف على وجه اليقين حتى الآن.
مثال آخر. في التجربة مع مطياف ألفا المغناطيسي (مطياف ألفا المغناطيسي الإنجليزي ، AMS) ، التي تعمل على ISS ، تم الإعلان مؤخرًا عن "اكتشاف" كبير (على الرغم من أنهم نسوا في معظم البيانات الصحفية أن يذكروا أنهم ببساطة أكدوا أن تجربة
PAMELA قد فتحت بالفعل في عام 2008). اكتشف PAMELA ، وأكدت AMS ، ودرس بمزيد من التفصيل أنه في الفضاء الخارجي يوجد فائض كبير من البوزيترونات عالية الطاقة ، مقارنة بما هو متوقع (البوزيترونات هي جسيمات مضادة للإلكترونات). بالنسبة للبوزيترونات "الإضافية" ، تختلف الطاقات من 10 GeV إلى 350 GeV على الأقل - ولا تذهب بيانات AMS إلى أبعد من ذلك.
من الممكن أن تكون هذه البوزيترونات قد ظهرت بسبب إبادة جزيئات المادة المظلمة. ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فلا يمكن أن تكون جزيئات TM من نفس النوع الذي تراه تجربة فيرمي في وسط المجرة. أي جزيئات TM مسؤولة عن الإشارة من AMS سيكون لها كتلة تزيد عن 350 GeV / s
2 لتنبعث منها 350 جزيترونات طاقة GeV ، بينما إذا كانت الفوتونات التي يرى Fermi تنتج جزيئات TM بدقة ، فلن تكون هذه الجسيمات أبدًا سينتج بوزيترون مع طاقات أعلى من 135 جيجا فولت. هذا يتبع فقط من الحفاظ على الطاقة. إذا كانت كتلة كل من جزيئي TM اللذين يبيدان 135 GeV / s
2 ويتحركان ببطء كافٍ ، لأن طاقة حركتهما صغيرة بما يكفي ، فإن الإلكترونات والبوزيترونات التي تم الحصول عليها في الإبادة لا يمكن أن يكون لها طاقة أكبر من 135 GeV. لذا لا يمكن لكل من Fermi و AMS رؤية آثار وجود TM - على الأقل واحد منهما يرى شيئًا آخر.
كما قالوا في عام 2008 (ويحرص المجربون مع AMS على الاعتراف) ، فإن تلك البوزيترونات التي شاهدتها PAMELA في ذلك الوقت وما تراه AMS الآن يمكن أن تتولد عن التأثيرات الفيزيائية الفلكية ، على سبيل المثال ، النجم النابض القريب (نجم دوار سريع مع مجال مغناطيسي قوي ، والذي يمكن أن يعمل كمسرع للجسيمات الطبيعية ويصبح مصدرًا لأزواج الإلكترون البوزيترون الإضافية). وكما يعلم الجميع منذ عام 2008 (وأن المجربين مع AMS كان لديهم الحماقة في عدم الاعتراف) ، فإن أبسط
المحايد التي تنبأت بها النظريات ذات
التناظر الفائق (أو أي ذكور أخرى) لا يمكنها إنتاج مثل هذه الإشارات القوية ، ما لم يكن هناك قوة غير معروفة قادرة على زيادة معدل الإبادة. وحتى ذلك الحين ، لن نرى مثل هذه البوزيترونات بدون إشارات أخرى - ما لم نفترض أن هذا TM ينتمي إلى مجموعة متنوعة للغاية. النظريات المعلقة باردة بطريقتها الخاصة ، لكن جزيئات TM في مثل هذه الأمور ليست مجرد ذرات بسيطة مع تناظر فائق تم ذكره في مقالات حول AMS.
مادة مظلمة تحت الأرض
دعنا نواصل. هل يتذكر أي شخص مشروع DAMA (الآن
DAMA / LIBRA )؟ يزعمون أن هناك أدلة على وجود مادة مظلمة لأكثر من عشر سنوات! ولديهم حقًا نوع من الإشارة! ربما من المادة المظلمة ، أو ربما لا.
كما ترون ، إحدى الطرق المراوغة للعثور على ذاكرة الترجمة هي السماح لها بالعثور عليك. ما عليك سوى وضع شريحة أو برميل من المواد المختارة والمكررة بعناية في العمود العميق تحت الأرض. (النزول إلى الأرض يقلل بشكل كبير من تأثيرات الأشعة الكونية - جزيئات عالية الطاقة من الفضاء العميق). نظرًا لأن HM يجب أن يمر مباشرة من خلال المادة العادية ، ونادراً ما يترك آثارًا ، فإن تيارًا من جزيئات HM سيتدفق مباشرة عبر الحجر ، إلى العمود ومن خلال برميل المواد. وإذا كنت صبورًا جدًا ، يمكن أن تصطدم إحدى جزيئات TM مع النواة الذرية داخل المادة الخاصة بك ، ويمكن أن تصبح هذه الركلة عالية بما يكفي لتكون قادرًا على اكتشافها إذا كنت قد طورت تجربة صعبة. هذا هو بالضبط ما تقوم به DAMA و XENON و CoGeNT و CRESST و CDMS ومجموعة من التجارب الأخرى - وقد كانوا يفعلون منذ بعض الوقت.
ولكن القيام بذلك أصعب من القول. النشاط الإشعاعي - عملية تغير فيها النواة الذرية نوعها عن طريق بصق جسيم واحد أو اثنين من الجسيمات عالية الطاقة - يمكن أن تحاكي تأثيرات جسيم TM. (العملية التي تحاكي "الإشارة" - التي تحاول اكتشافها - تسمى "الخلفية"). غالبًا ما تكون الخلفية في الكشف عن جزيئات TM أقوى من الإشارة نفسها ، ويحتاج المجربون إلى فهم جميع الخلفيات الممكنة جيدًا جدًا إذا كانوا يريدون اكتشاف شيء صغير جدًا.
ولكن الآن ، بالعودة إلى داما ، ما الذي يمكن القيام به من سلسلة من العبقري اللعين. خلال العام ، تتحرك الأرض حول الشمس ، وتتغير سرعتها بالنسبة لمتوسط سرعة جسيمات TM. يبدو الأمر وكأنك تدور على طول المسار الدائري في يوم عاصف ، أحيانًا تهب الرياح في وجهك وأحيانًا ستدفعك إلى الخلف. تمامًا مثلما تتغير قوة الريح عندما تدور المسار ، تتغير سرعة "الريح" من TM طوال العام. وإذا كان احتمال تفاعل جزيئات TM مع النواة يعتمد على السرعة النسبية لكليهما (والذي يتم في العديد من المتغيرات لما هو TM) ، فيجب أن يزيد عدد التصادمات مع TM المقاسة في التجربة وينخفض مع دورة في السنة .
لذلك ، بدلاً من البحث عن علامات التصادمات العديدة ، والتي قد تكون نتيجة نشاط إشعاعي لم تفهمه ، قد تحتاج إلى البحث عن اختلافات في عدد التصادمات على مدار عام! إذا أقنعت نفسك بأن النشاط الإشعاعي والخلفيات الأخرى وحدها لا يمكن أن يكون لها دورة سنوية ، فإن أي تقلبات من هذا النوع هي دليل واضح على TM. تمامًا كما يشعر راكب الدراجة في الرياح القوية برياح قوية جدًا عند السفر تجاهه ، وأضعف عند السفر في الاتجاه الآخر ، لذلك تتحرك الأرض في مدار حول الشمس بسرعة أعلى أو أقل بالنسبة للجسيمات القريبة من TM خلال العام . هذا يمكن أن يؤدي إلى تثبيت عدد التصادمات مع TM ، يتغير بشكل دوري على مدار العام.
لسوء الحظ ، على الرغم من أنها تبدو جميلة ، فقد تتغير ظواهر الخلفية بشكل دوري على مدار العام ، ربما يرجع ذلك إلى حقيقة أن التغيرات الصغيرة في درجة الحرارة يمكن أن تتسبب في انتشار غازات مشعة أكثر أو أقل في المنجم ، أو شيء من هذا القبيل . لذا ، على الرغم من أن البيانات من DAMA / LIBRA تظهر بشكل لا لبس فيه تقلبات في عدد تصادمات الجسيمات المرشحة لـ TM ، فإنه لا يزال من غير الواضح تمامًا ما إذا كان هذا هو TM. حتى الآن ، لم يتمكن أحد من تأكيد إشاراته ، ولكن لم يتمكن أحد من إثبات أن هذا إنذار كاذب.
داما / ليبرا ليست الوحيدة. في الآونة الأخيرة ، أبلغت تجربة CoGeNT عن اكتشاف فائض من التصادمات المحتملة ، والتي يتقلب عددها ، على غرار DAMA / LIBRA على مدار العام.
وهذا ليس كل شيء. ذكرت تجربة CRESST أيضًا تثبيت مجموعة من المرشحين لجزيئات TM التي تضرب نوى ذرية في كاشفاتها. هناك العديد من التأثيرات المحتملة التي يمكن أن تعطي المرشحين من هذا النوع - ولكن ، وفقًا لهم ، إذا أضفت كل هذه التأثيرات معًا ، فستحصل على حوالي 42 مرشحًا ، وقد رأوا بالفعل 67 ، وهو أكثر من 4 انحرافات معيارية ، وهو دليل قوي جدًا على أن شيء مفقود.
وأخيرًا ، تلميح آخر: ذكرت تجربة CDMS تحديد ثلاثة مرشحين لتصادمات TM في قطع السيليكون الخاصة بهم. لديهم كاشفات من السليكون والجرمانيوم. تم الحصول على نتيجة جديدة بناءً على بيانات من كاشفات السيليكون. نظرًا لأن قلب السيليكون أخف بكثير من قلب الجرمانيوم ، فإن السيليكون يستجيب بشكل أفضل للتصادم مع جزيئات HM خفيفة الوزن. ومن المثير للاهتمام للغاية!
ولكن ، كما يذكرون بعناية ، لا يمكن اعتبار النتيجة حاسمة. من شبه المؤكد أن هذا ليس نتيجة تأثيرات الخلفية. للوهلة الأولى ، هذا ليس واضحًا. يجب أن تعطي الخلفيات المعروفة لهم في المتوسط نصف التصادمات فقط ، وإمكانية الحصول على هذه الأحداث الثلاثة تبلغ حوالي 5 ٪ - وهي ليست محتملة تمامًا ، نظرًا لعدد الأشياء غير المحتملة التي يمكن أن تحدث في التجربة. ولكن عندما يأخذون في الاعتبار طاقات هؤلاء المرشحين الاصطدام ، ينخفض الاحتمال إلى 0.2 ٪. ثم تصبح المسألة خطيرة. ولكن تذكر: كل هذا يعني أنه إما (أ) اكتشفوا ذاكرة الترجمة ، أو (ب) اكتشفوا نشاط الخلفية غير المعروف الذي يعطي إشارة خاطئة.
إذا جمعت كل هذه التجارب الأربعة معًا ، فإن الأخبار جيدة وسيئة. الخبر السار هو أن كل هذه التجارب الأربعة - DAMA / LIBRA و CRESST و CoGeNT و CDMS - تتوافق مع جزيئات TM الموجودة في مكان ما في نطاق 10 GeV / s
2 .
الأخبار السيئة إلى حد ما هي أن الأبعاد الأربعة ليست متسقة. من احتمال تفاعل جزيئات TM لكتلة معينة ، لا يتزامن ما يلي من التجارب ، ويختلف حتى عشر مرات. يظهر هذا في الشكل أدناه (مأخوذ من
عمل CDMS) ، حيث يتبين أن النطاقات الأربعة المختلفة المرتبطة بملاحظات التجارب الأربعة لا تتداخل عادة. وهذا يعني أن اثنتين على الأقل من هذه التجارب يجب أن تكون إنذارات خاطئة.
يوضح الشكل الأقسام المسموح بها وغير المقبولة (بدقة 90٪) كدالة لكتلة جسيم TM (المحور الأفقي) وعدد التفاعلات مع المادة العادية (المحور الرأسي). تظهر DAMA / LIBRA و CRESST و CoGeNT باللون الأصفر والبني والوردي على التوالي. يتم إعطاء نتائج CDMS جديدة باللون الأزرق السماوي والأزرق. النجمة السوداء هي أفضل تقريب. لاحظ أنه لا توجد نقاط يتقاطع فيها ثلاثة أو أربعة أقسام مرة واحدة. في هذه الحالة ، تستبعد نتائج التحليل في تجربتي XENON10 و XENON100 جميع المناطق الواقعة فوق خطوط الضوء الأخضر والأخضر الداكن ، والتي تشمل جميع التجارب الأربعة الأخرى.الأخبار السيئة للغاية تأتي من نتائج تجربة أخرى ، والتي يجب أن تكون (على ما يبدو) أكثر حساسية لجزيئات TM من هذا النوع من أي تجربة أخرى من هذه التجارب. أعني XENON100. بالنسبة لمعظم الإشارات في XENON100 ، كان يجب أن يحدث الكثير من الأحداث المرشحة ، عشرات أو أكثر. لكن حتى الآن شاهده اثنان فقط. وتبين أن كل هذه الإشارات مستبعدة من تجربة XENON100 ، وكذلك من خلال تحليل خاص لسلفها XENON10. يمكن للمرء أن يجادل في حقيقة أن نتائج CoGeNT و CDMS بالكاد تدحض ، وبالتالي ربما لا يزال يتعين أخذها على محمل الجد.
لكن الحقيقة الواقعية هي أنه في كل هذه التجارب تحت الأرض ، يجب أن تظهر خلفية صغيرة غير مسجلة في شكل العديد من المرشحين الإضافيين للتصادم المنخفض الطاقة ، والذي سيشبه إلى حد كبير ما يمكن توقعه من الجسيمات منخفضة الكتلة.
كما قال البروفيسور خوان كولارد ، رئيس تجربة CoGeNT في جامعة شيكاغو ، في مؤتمر في مركز CUNY للعلوم في نيويورك قبل عدة سنوات ، من المحتمل أن تكون القصة حول العثور على TM تاريخًا طويلًا لاكتشاف خلفية غير متوقعة تلو الأخرى - ويمكن لهذه القصة أن تستمر لفترة طويلة ، حتى يتم العثور على TM في الواقع ، على الإطلاق ، في إحدى هذه التجارب. وهذا ينعكس في العديد من الإنذارات الكاذبة التي رأيناها مؤخرًا. ومن المثير للاهتمام أن كولارد توقف عن إصدار مثل هذه العبارات بعد أن بدأ CoGeNT في تلقي إشارة يمكن تفسيرها على أنها TM. لكن تذكر ما قلته ، خوان. نتذكر.
في هذه الأثناء ، من أجل مثل هذه الألغاز التي يعيشها الفيزيائيون النظريون. اللغز! التحدي! اخترع نظرية TM بحيث يمكن لتجارب CDMS و CoGeNT اكتشاف آثارها بسهولة ، ولكن لا يمكن لـ XENON100! تعمل التجارب بشكل مختلف - CDMS و CoGeNT تتكون من قطع من السيليكون والجرمانيوم ، على التوالي ، واستخدامات XENON100 - مفاجأة! - برميل زينون. هناك بالفعل العديد من الأعمال حول هذا الموضوع. على الأرجح ، تبين أن XENON100 على حق ، في حين أن CDMS و CoGeNT يلاحظان بعض الخلفية. ولكن ، ربما ، كل شيء سيكون عكس ذلك تمامًا.
لتلخيص: لدينا على الأقل ستة إشارات إلى وجود ذاكرة الترجمة ، والتي في معظمها لا تتوافق مع بعضها البعض. يتطابق تلميح CDMS الجديد تقريبًا مع CoGeNT ؛ ولكن إذا كان كلاهما يرى TM ، فلماذا لا يلاحظ XENON100 إشارة قوية؟ تعمل كل هذه التجارب على تحسين طرقها وقياساتها ، لذلك إذا أثبتت بعض هذه التلميحات حقًا أنها علامات TM ، فسوف نرى قريبًا المزيد من الأمثلة على الأدلة المثيرة للإعجاب.