المادة المظلمة ، التي تشكل معظم المادة في الكون ، ليس من السهل رؤيتها. إنها مظلمة. ومع ذلك ، هناك طريقة واحدة يمكن بواسطتها لمعان المادة المظلمة (TM).
وكيف يبدو؟ إذا كان HM يتكون من جزيئات مضادة للجسيمات نفسها (كما هو الحال بالنسبة للفوتونات والجسيمات Z وجزيئات Higgs ، وربما النيوترينوات) ، فمن الممكن أن يلتقي جزيئين HM مع بعضهما البعض ويبيدان (تمامًا كما يمكن إبادة إلكترون مع بوزيترون ، أو اثنين من الفوتونات) ، يتحول إلى شيء آخر يمكننا على الأرجح اكتشافه - على سبيل المثال ، إلى فوتونين ، أو أي جسيم آخر وجسيمه المضاد. تعتمد قدرتنا على اكتشاف هذا التأثير على أشياء كثيرة غير معروفة لنا. ولكن لا حرج في البحث عن هذه الظاهرة ، وهناك سبب وجيه للغاية للمحاولة.
كيف نتمنى أن نجده؟
التين. 1نحتاج أولاً إلى النظر إلى مركز مجرتنا ، درب التبانة. تمامًا مثل احتمال وقوع حادث في حركة المرور الكثيفة في ساعة الذروة ، من المحتمل أن تلاحظ تصادمات جزيئات المادة المظلمة حيث تكون كثافتها أكبر. وأكبرها في مراكز المجرات. والسبب هو أنه (انظر الشكل 1) تتشكل قطع كبيرة من المادة المظلمة حول المجرات والنجوم - في الواقع ، فإن معظم كتلة درب التبانة عبارة عن مادة مظلمة موزعة على كرة خشنة ، على الرغم من أن هيكلها الدقيق غير معروف وربما معقد. تشكل النجوم والسحب الذرية الكبيرة التي تشكل منها قرصًا دوارًا بأذرع لولبية تقع داخل هذا المجال الكبير ولها كرة من النجوم (
انتفاخ ) في المنتصف. من المحتمل أن تتراكم النجوم الموجودة في القرص والانتفاخ في الأماكن ذات التركيز العالي من HM. لذلك يمكن أن تحدث التصادمات والإبادة اللاحقة ، مما يؤدي إلى ظهور الجسيمات التي يمكن أن نكتشفها ، بالقرب من مركز المجرة ، لذلك نحتاج إلى تطوير أدوات علمية يمكن أن تبحث في هذا الاتجاه والبحث عن تلميحات بحدوث مثل هذا الإبادة.
لسوء الحظ ، ليس من السهل الحصول على التلميحات ، حيث لا توجد أنواع كثيرة من الجسيمات المعروفة التي يمكن أن تصل إلى الأرض عند إنشائها في إبادة المادة المظلمة بالقرب من مركز المجرة. الجسيمات الوحيدة الطويلة بما فيه الكفاية التي يمكن أن تصل إلى الأرض هي الإلكترونات ، ومضادات الإلكترونات (البوزيترونات) ، والبروتونات ، والبروتونات المضادة ، والعديد من النوى الذرية المستقرة الأخرى (الهليوم) ، والنيوترينوات ، ومضادات النيوترينوات والفوتونات. لكن من الصعب للغاية اكتشاف النيوترينو (ومضادات النيوترينو) ، وجميع الجسيمات الأخرى تقريبًا لديها شحنة كهربائية ، لذلك فإن مساراتها منحنية وملتوية في المجال المغناطيسي للمجرة ، وهذا هو السبب في أنها لا تصل إلى الأرض. كما يضمن أنه إذا جاءوا إلينا ، فلا يمكننا القول ما إذا كانوا قد أتوا من وسط المجرة أم لا. تبقى الفوتونات الجسيمات الوحيدة التي يمكنها ، أولاً ، الانتقال مباشرة من مركز المجرة إلى الأرض ، وثانيًا ، يمكن اكتشافها بسهولة.
التين. 2الفوتونات غير العادية ذات الطاقة العالية القادمة من مركز المجرة ، وفي أي مكان تقريبًا ، يمكن أن تعطي إشارة جيدة لإبادة TM (الشكل 2).
ومع ذلك ، فإن هذه الاستراتيجية لديها العديد من العقبات. في وسط المجرة ، يتم أيضًا جمع العديد من الأجسام الفلكية غير العادية ، والتي تنبعث منها أيضًا فوتونات عالية الطاقة. كيف تميز بين الفوتونات المنبثقة عن إبادة TM والفوتونات المنبثقة عن فئة غير معروفة من العمليات النجمية التي قد تكون أكثر شيوعًا في مركز المجرة من أي مكان آخر؟
الجواب: ليس سهلا ، باستثناء حالة خاصة واحدة. إذا كانت جسيمات TM (التي لها كتلة معينة ، على سبيل المثال ، M) يمكن أن تباد في بعض الأحيان ، وتحول فوتونين بالضبط ، فإن طاقة الحركة لكل من هذه الفوتونات ستكون (بدقة جيدة جدًا) طاقة الكتلة Mc
2 لجسيمات المادة المظلمة. السبب بسيط - موصوف في
مقال حول إبادة الجسيمات والجسيمات المضادة ويظهر في الشكل. 3.
التين. 3إذا كان الجسيم والجسيم المضاد في حالة راحة عمليًا ، فإن طاقة كل منهما تقريبًا محتواة تمامًا في الكتلة وهي تساوي تمامًا بالضبط Mc
2 . نبضات كل منهما تقريبا صفر. يتم الحفاظ على الطاقة والزخم ، لذا فإن الطاقة الإجمالية تساوي تقريبًا 2 Mc
2 قبل وبعد الإبادة. عندما يتحول الجسيم والمضاد إلى جسيم ومضاد آخر ، فإن طاقات كل منهما ستكون مساوية لـ Mc
2 . عادة ما يكون مزيجًا من طاقة الكتلة وطاقة الحركة. في الحالة التي يكون فيها الجسيم النهائي والجسيم المضاد عبارة عن فوتونات بدون كتلة ، وبالتالي طاقة الكتلة ، فإن كل طاقتهما ستكون طاقة الحركة.
نحن لا نعرف الكتلة M لجسيم TM ، ولا نعرف طاقة الفوتونات الناتجة. ولكن بما أن الكتلة هي نفسها لجميع الإلكترونات والكتلة واحدة لجميع البروتونات ، والكتلة لجميع جزيئات TM هي نفسها ، فإن كل إبادة TM ستؤدي إلى ظهور فوتونين بطاقة تساوي تقريبًا Mc
2 . وهذا يعني أنه إذا استخدمنا تلسكوبًا خاصًا لقياس الفوتونات عالية الطاقة المنبعثة من منطقة قريبة من مركز المجرة وقمنا ببناء رسم بياني لعدد الفوتونات من طاقتها ، فينبغي أن نتوقع أن العديد من العمليات الفيزيائية الفلكية ستخلق العديد من الفوتونات ذات الطاقات المختلفة التي ستشكل خلفية سلسة ، لكن العمليات التي تحدث مع HM ستضيف مجموعة من الفوتونات من نفس الطاقة - انفجار شاهق فوق الخلفية (انظر الشكل 4). يكاد يكون من المستحيل تخيل كائن فلكي ، بعض النجوم الغريبة ، التي ستكون بسيطة بما يكفي لإنشاء مثل هذا الانفجار - وبالتالي ، فإن الإشارة في شكل انفجار ضيق ستكون دليلاً واضحًا على عملية إبادة أزواج من جزيئات TM.
التين. 4وهذه طريقة قوية جدًا للبحث عن ذاكرة الترجمة. لن ينجح إذا لم تكن جزيئات TM جزيئات مضادة لنفسها ولا يمكنها الإبادة. لن يعمل إذا لم تنتج جزيئات TM في الغالب الفوتونات عند الإبادة. لكنها يمكن أن تعمل. وهناك بالفعل محاولات ، وأكثرها إثارة للاهتمام هي استخدام
تلسكوب Fermi لأشعة غاما الفضائية ، تجربة مع قمر صناعي يعمل في الفضاء وقياس الفوتونات القادمة من جميع أنحاء السماء ، بما في ذلك تلك التي تأتي من مركز المجرة.