تجري عملية بحث جديدة عن المادة المظلمة تحت الجبل

لم يكن ديفيد دانجيلو مهتمًا دائمًا بالمادة المظلمة ، ولكنه الآن أصبح في طليعة مطاردة الجسيمات الأكثر مراوغة في الكون.

على بعد ساعة بالسيارة من روما ، هناك مجموعة كثيفة من الجبال تسمى Gran Sasso d'Italia . تشتهر بجمالها الطبيعي وتجذب السياح على مدار السنة ، وتقدم منتجعات تزلج على مستوى عالمي ومسارات للمشي لمسافات طويلة في فصل الشتاء ، بالإضافة إلى فرصة السباحة في الصيف. بالنسبة للفيزيائي الإيطالي البالغ من العمر 43 عامًا David D'Angelo ، فإن هذه الجبال تشبه المنزل الثاني. على عكس معظم الزوار إلى Gran Sasso ، يقضي D'Angelo معظم وقته تحت الجبال ، وليس عليهم.

هناك ، في مساحة كهوفية على بعد آلاف الأمتار تحت سطح الأرض ، يعمل D'Angelo على جيل جديد من التجارب المخصصة للبحث عن جسيمات المادة المظلمة - شكل غريب من المادة يفترض وجودها لعدة عقود ، ولكن لم يتم إثباته تجريبيًا بعد.

يعتقد أن المادة المظلمة تشكل 27 ٪ من الكون ، ووصف هذه المادة المراوغة هو واحد من أكثر المشاكل الحادة للفيزياء الحديثة. على الرغم من أن D'Angelo يعتقد بتفاؤل أن الاختراق سيحدث خلال حياته - كان الجيل السابق من علماء الفيزياء يعتقدون بنفس الطريقة. من حيث المبدأ ، هناك فرص جيدة لعدم وجود الجسيمات التي يريدها D'Angelo على الإطلاق. ومع ذلك ، بالنسبة للفيزيائيين الذين يبحثون في الطبيعة الأساسية للكون ، فإن فرصة متابعة مهنة كاملة في "مطاردة الأشباح" ، كما يقول D'Angelo ، هي ثمن تطوير العلم.

ماذا يكمن تحت "الحجر العظيم"؟

في عام 1989 ، افتتح المعهد الوطني الإيطالي للفيزياء النووية المختبر الوطني في غران ساسو ، أكبر مختبر تحت الأرض في العالم مخصص للفيزياء الفلكية. تم بناء ثلاثة كهوف تحت الأرض كثيرة في جران ساسو خصيصًا للفيزيائيين - وهي بيئة أنيقة جدًا لمركز أبحاث. معظم مختبرات الفيزياء الفلكية تحت الأرض ، مثل SNOLAB ، ترتب تلقائيًا باستخدام مناجم قديمة أو عاملة ، وهذا يحد من مقدار الوقت الذي يمكن قضاءه في المختبر وأنواع المعدات المستخدمة.

غران ساسو ، الذي يقع على بعد كيلومتر تحت الأرض لحمايته من الأشعة الكونية الصاخبة التي تغسل الكوكب ، كان يحمي العديد من التجارب في فيزياء الجسيمات ، ويبحث في أسس الكون. على مدى السنوات القليلة الماضية ، شارك D'Angelo الرسم البياني الخاص به بين مرصد Borexino و Iodide الصوديوم مع تجربة رفض الخلفية النشطة ( SABER ) ، التي تدرس النيوترينوهات الشمسية والمادة المظلمة ، على التوالي.


D'Angelo مع نموذج صابر عامل

على مدى المائة عام الماضية ، يعتبر وصف النيوترينوات الشمسية والمادة المظلمة أهم مهام فيزياء الجسيمات. اليوم ، تم حل لغز النيوترينو الشمسي ، لكن هذه الجسيمات لا تزال مثيرة للاهتمام للغاية للفيزيائيين ، لأنها تعطي الكثير من المعلومات حول الاندماج النووي الذي يحدث في شمسنا ونجومنا الأخرى. لكن تركيبة المادة المظلمة لا تزال تعتبر واحدة من أكبر القضايا في الفيزياء النووية. على الرغم من الطبيعة المختلفة تمامًا لهذه الجسيمات ، لا تزال أسئلة دراستها مرتبطة ، حيث لا يمكن اكتشاف هذه الجسيمات إلا في ظروف الحد الأدنى من إشعاع الخلفية: على بعد آلاف الأمتار تحت الأرض.

قال دانجيلو: "تعمل الجبال مثل الدرع ، لذلك إذا كنت تحتها ، فستواجه ما يسمى" الصمت الكوني ". "هذا هو الجزء الأكثر تفضيلاً في بحثي: تذهب إلى الكهف ، وتبدأ في العمل مع الكاشف وتحاول فهم الإشارات التي تراها."

بعد تخرجه ، حصل D'Angelo على وظيفة في المعهد الوطني الإيطالي للفيزياء النووية ، حيث ركز بحثه على النيوترينوهات الشمسية ، والجسيمات دون الذرية بدون تهمة ، الناتجة عن الاندماج النووي في الشمس. طوال معظم العقود الأربعة ، كانت النيوترينوات الشمسية في قلب أحد أكبر أسرار الفيزياء الفلكية. كانت المشكلة أن الأدوات التي تقيس طاقة النيوترينوات الشمسية أسفرت عن نتائج أقل بكثير من تلك التي تنبأ بها النموذج القياسي - وهي النظرية الأكثر دقة للجسيمات الأساسية في الفيزياء.

بالنظر إلى مدى دقة النموذج القياسي في جوانب أخرى من علم الكونيات ، لم يرغب الفيزيائيون في إجراء تغييرات عليه لمراعاة هذا التناقض. أحد التفسيرات المحتملة هو أن الفيزيائيين شكلوا النموذج الخاطئ للشمس ، وأنه كان من الضروري إجراء قياسات محسنة للضغط ودرجة الحرارة في قلبها. ومع ذلك ، بعد سلسلة من الملاحظات في الستينيات والسبعينيات ، اتضح أنه بشكل عام ، تم تكوين نماذج الشمس بشكل صحيح ، ثم تحول الفيزيائيون إلى النيوترينو للحصول على تفسيرات بديلة.

حكاية ثلاثة نيوترينوس

منذ أن اقترح الفيزيائي النمساوي فولفجانج باولي لأول مرة وجود النيوترينوات في ثلاثينيات القرن الماضي ، تم جذبهم باستمرار لسد الثغرات في النظريات. في حالة باولي ، كان افتراض وجود جزيئات خفيفة للغاية بدون تهمة "وسيلة يائسة" لتفسير لماذا لا يعمل قانون الحفاظ على الطاقة أثناء الاضمحلال الإشعاعي. بعد ثلاث سنوات ، أعطى الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي اسمًا لهذه الجسيمات الافتراضية. أطلق عليها " النيوترينوات " ، والتي تعني في الإيطالية "النيوترونات الصغيرة".

بعد ربع قرن من افتراض باولي ، أعلن فيزيائيان أمريكيان عن أول دليل على النيوترينوات في مفاعل نووي. في العام التالي ، 1957 ، قام برونو ماكسيموفيتش بونتيكورفو ، وهو فيزيائي من أصل إيطالي عمل في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، بتطوير نظرية تذبذبات النيوترينو . في ذلك الوقت ، تم دراسة خصائص النيوترينو بشكل سيئ ، واقترح Pontecorvo أن هناك عدة أنواع من النيوترينوات. واقترح في هذه الحالة أنه من الممكن أن تغير النيوترينوات أنواعها.

بحلول عام 1975 ، تم إثبات نظرية بونتيكورفو. تم اكتشاف ثلاثة أنواع أو "روائح" مختلفة من النيوترينو: الإلكترون ، المون ، والتاو. من المهم أيضًا أن أظهرت الملاحظات في تجربة في داكوتا الجنوبية أن الشمس تنتج النيوترينونات الإلكترونية. كانت المشكلة الوحيدة هي أنه تم الكشف عن عدد أقل من النيوترينوات في التجربة عما توقعه النموذج القياسي.

حتى أواخر التسعينات ، كان هناك دليل ضئيل على أن النيوترينوات يمكن أن تنتقل من نكهة إلى أخرى. في عام 1998 ، لاحظت مجموعة من الباحثين العاملين في مرصد سوبر كاميو كاندي في اليابان تذبذبات النيوترينو في الغلاف الجوي ، والتي تنشأ بشكل أساسي من تفاعلات الفوتون مع الغلاف الجوي للأرض. بعد ثلاث سنوات ، تم الحصول على أول دليل مباشر على تذبذبات النيوترينو الشمسي في مرصد Sudbury الكندي (SNO).

هذا ، بعبارة ملطفة ، أصبح حدثًا كبيرًا في علم الكونيات. تمت مقارنة سر النيوترينو الشمسي المفقود ، أو لماذا لوحظ في التجارب حوالي ثلث النيوترينوات التي تطير من الشمس ، مع توقعات النموذج القياسي. إذا كانت النيوترينوات تتأرجح ، وتغير الرائحة ، فإن النيوترينوات المنبعثة من قلب الشمس يمكن أن تكون بالفعل من أنواع مختلفة بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى الأرض. حتى منتصف الثمانينيات ، في معظم التجارب على الأرض ، تم البحث في النيوترينونات الإلكترونية فقط ، مما يعني أنها فوتت نكهتين أخريين تظهران على طول المسار من الشمس إلى الأرض.

عندما تم تصميم SNO في الثمانينيات ، تم تصميمه بحيث يمكنه اكتشاف جميع أنواع النيوترينو الثلاثة ، وليس الإلكترونية فقط. وقد أثمر هذا القرار. في عام 2015 ، شارك مديرو تجربة Kamiokande و SNO جائزة نوبل في الفيزياء لحل لغز النيوترينوهات الشمسية المفقودة.


كاشف في بوريكسينو

على الرغم من حل لغز النيوترينو الشمسي ، لا يزال هناك الكثير الذي يتعين القيام به في العلوم لفهمها بشكل أفضل. منذ عام 2007 ، قام مرصد بوريكسينو في غران ساسو بتحسين قياس اهتزازات النيوترينو الشمسي ، مما يمنح الفيزيائيين معلومات غير مسبوقة حول الاندماج النووي الذي يغذي الشمس. في الخارج ، يبدو المرصد ككرة معدنية ضخمة ، وداخله يشبه التكنولوجيا التي جاءت من كوكب آخر.

في الواقع ، يوجد في وسط الكرة كيس نايلون شفاف ضخم بقطر 10 أمتار وسمك نصف مليمتر. تحتوي الحقيبة على لمعان سائل ، وهو خليط كيميائي يطلق الطاقة عندما يمر نيوترينو خلالها. يتم تعليق كرة النايلون هذه في ألف طن من السوائل العازلة المنقاة ويحيط بها 2200 مستشعر قادرة على اكتشاف الطاقة المنبعثة من الإلكترونات ، والتي يتم إطلاقها عندما يتفاعل النيوترينو مع لمعان سائل. يوجد حاجز آخر يتكون من 3000 طن من الماء عالي النقاوة ، مما يوفر حماية إضافية للكاشف. يوفر كل هذا معًا أكبر حماية للمرصد من الإشعاع المحيط بين جميع اللمعات السائلة في العالم.

في العقد الماضي ، استخدم الفيزيائيون في Borexino - بما في ذلك D'Angelo ، الذين انضموا إلى المشروع في عام 2011 - هذا الجهاز الفريد لمراقبة النيوترينوهات الشمسية منخفضة الطاقة الناتجة عن تصادمات البروتون أثناء الاندماج النووي في النواة الشمسية. نظرًا لصعوبة اكتشاف هذه الجسيمات خفيفة الوزن بدون شحنة ، والتي بالكاد تتفاعل مع المادة ، سيكون من المستحيل عمليًا اكتشاف النيوترينوهات الشمسية منخفضة الطاقة بدون مثل هذه الآلة الحساسة. عندما اكتشفت SNO مباشرة التذبذبات الأولى للنيوترينات الشمسية ، كان بإمكانه فقط ملاحظة أكثر النيوترينات الشمسية نشاطًا بسبب التداخل الناتج عن إشعاع الخلفية. وهذا يمثل حوالي 0.01٪ فقط من النيوترينوات المنبعثة من الشمس. تسمح له حساسية Boreksino بمراقبة النيوترينو الشمسي بالطاقة بمقدار ترتيب أقل من تلك التي وجدتها SNO ، مما يفتح إمكانية إنشاء نموذج مصقول بشكل لا يصدق للعمليات الشمسية وظواهر أكثر غرابة مثل المستعرات الأعظمية.

أخبرني دأنجيلو: "استغرق الفيزيائيون 40 عامًا لمعرفة النيوترينوات الشمسية ، وكان ذلك أحد أكثر الألغاز إثارة للاهتمام في فيزياء الجسيمات". "شيء مثل المادة المظلمة الآن."

تسليط الضوء على المادة المظلمة

إذا كانت النيوترينوات جزءًا غامضًا من القرن العشرين ، فإن المادة المظلمة هي لغز عصرنا. بنفس الطريقة التي اقترح بها باولي النيوترينوات كوسيلة يائسة لتفسير لماذا يبدو أن التجارب تنتهك أحد أهم قوانين الطبيعة ، تم اقتراح وجود جزيئات المادة المظلمة ، لأن الملاحظات الكونية لا تتقارب.

في أوائل الثلاثينيات من القرن الماضي ، درس الفلكي الأمريكي فريتز زويكي حركات العديد من المجرات في مجموعة فيرونيكا للشعر ، وهي مجموعة تضم أكثر من 1000 مجرة ​​تقع على بعد حوالي 320 مليون سنة ضوئية من الأرض. باستخدام البيانات التي نشرها إدوين هابل ، حسبت زويكي كتلة المجموعة المجرية بأكملها لشعر فيرونيكا. عند الانتهاء ، اكتشف شيئًا غريبًا في تشتت سرعات المجرات (التوزيع الإحصائي لسرعات مجموعة من الأشياء): كان توزيع السرعات أعلى 12 مرة من القيمة المحسوبة على أساس كمية المادة.


في معمل جران ساسو

لقد كان حسابًا غير متوقع وأهميته لم تفلت من زويكي. وكتب قائلاً: "إذا تم تأكيد ذلك ، فسوف نحصل على نتيجة مذهلة ، والتي بموجبها سيكون هناك مادة مظلمة أكثر بكثير من المواد المضيئة".

بدت الفكرة القائلة بأن الكون يتكون بشكل أساسي من مادة غير مرئية جذرية في زمن زويكي - لا تزال كذلك حتى يومنا هذا. ومع ذلك ، فإن الاختلاف الرئيسي هو أن علماء الفلك اليوم لديهم أدلة تجريبية أكثر تشير إلى وجودها. بالنسبة للجزء الأكبر ، يمكن أن يُعزى ذلك إلى فيرا روبين ، عالمة الفلك الأمريكية التي قضت قياساتها على دوران المجرات في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي على كل الشكوك حول وجود المادة المظلمة. بناءً على قياسات روبن وملاحظاته اللاحقة ، يعتقد الفيزيائيون أن المادة المظلمة تشكل حوالي 27 ٪ من جميع المادة في الكون - حوالي سبع مرات أكثر من المادة الباريونية العادية التي نعرفها. السؤال الرئيسي هو من ماذا يتكون؟

منذ الملاحظات الرائدة ، قدم روبن بالفعل العديد من المرشحين لعنوان جزيئات المادة المظلمة ، لكنهم حتى الآن تجنبوا اكتشافها حتى من قبل أكثر الأدوات حساسية في العالم. جزئياً لأن الفيزيائيين ليسوا متأكدين تمامًا مما يبحثون عنه. يعتقد جزء صغير من الفيزيائيين عمومًا أن المادة المظلمة قد لا تكون جزيئات ، ولكن يمكن أن يكون لها تأثير جاذبية غريب. وهذا يجعل تصميم التجربة مشابهًا للبحث عن سيارة في موقف للسيارات بالقرب من استاد يناسب المفاتيح التي تم العثور عليها مؤخرًا. هناك احتمال أن تكون السيارة في موقف السيارات ، ولكن عليك أن تتجول في الكثير من الأبواب حتى تجدها - إذا كانت موجودة على الإطلاق.

من بين المرشحين للمادة المظلمة هناك جزيئات دون ذرية بأسماء غبية مثل أكسيونات ، جرافتينو ، هالة مدمجة فيزيائية فلكية ضخمة (MACHO) وجزيئات ضخمة ضعيفة التفاعل (WIMP). D'Angelo مع زملائه من Gran Sasso ارتدوا WIMP ، والتي كانت تعتبر حتى وقت قريب المرشحين الرئيسيين للطاقة المظلمة.

ومع ذلك ، على مدى السنوات القليلة الماضية ، بدأ الفيزيائيون في البحث عن إمكانيات أخرى ، بعد أن فشلت بعض الاختبارات الحاسمة في تأكيد وجود WIMP. WIMP هي فئة من الجسيمات الأولية الافتراضية التي لا تتفاعل عمليا مع المواد الباريونية العادية ولا تنبعث منها الضوء ، مما يجعل من الصعب للغاية اكتشافها. تتفاقم هذه المشكلة بحقيقة أنه لا يوجد أحد متأكد من كيفية ظهور WIMPs بالضبط. وغني عن القول ، أنه من الصعب جدًا العثور على أي شيء إذا لم تكن متأكدًا مما تبحث عنه بالضبط.

فلماذا يعتقد الفيزيائيون أن WIMPs موجودة حتى؟ في السبعينيات ، تصور الفيزيائيون النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، الذي ادعى أن كل شيء في الكون يتكون من مجموعة صغيرة من الجسيمات الأساسية. يشرح النموذج القياسي بشكل مثالي كل شيء يمكن للكون أن يقدمه له ، لكنه لا يزال غير مكتمل لأنه لم يتم تضمين الجاذبية. في الثمانينيات ، ظهر توسع SM تحت اسم التناظر الفائق ، والذي بموجبه يجب أن يكون لكل جزء أساسي من SM شريكًا. تُعرف هذه الأزواج باسم الجسيمات الفائقة التناظر ، وتستخدم في التفسيرات النظرية للألغاز المختلفة لفيزياء SM ، على سبيل المثال ، كتلة بوزون هيجز ووجود المادة المظلمة. تم إنشاء بعض أكثر التجارب تعقيدًا وأغلى تكلفة في العالم ، مثل مصادم Hadron الكبير ، في محاولة لاكتشاف هؤلاء الشركاء الفائقين ، ولكن حتى الآن لم يتم تلقي أي دليل تجريبي على وجودهم.

العديد من الجسيمات الأخف وزنًا المقترحة في النموذج فائق التناظر هي WIMPs ، ولها أسماء مثل الجرافيتينو ، سني ترينو ومحايدة. لا يزال العديد من الفيزيائيين يعتبرون آخرهم المرشح الرائد للمادة المظلمة ، ويعتقدون أنه تم تشكيلها بكميات كبيرة في أوائل الكون. إن العثور على دليل على وجود هذا الجسيم النظري القديم هو هدف العديد من التجارب مع TM ، بما في ذلك تلك التي يعمل عليها D'Angelo في Gran Sasso.

أخبرني D'Angelo أنه أصبح مهتمًا بالمادة المظلمة بعد عدة سنوات من انضمامه إلى مختبر Gran Sasso وبدأ في المساهمة في تجربة DarkSide ، والتي يبدو أنها استمرار طبيعي لعمله على النيوترينوهات الشمسية. DarkSide ، في الواقع ، خزان ضخم مليء بالأرجون السائل ومجهز بمستشعرات حساسة بشكل لا يصدق. في حالة وجود WIMPs ، يعتقد الفيزيائيون أنهم سيكونون قادرين على اكتشافهم بسبب التأين ، والذي يظهر بسبب تفاعلهم مع نواة الأرجون.

يذهب DarkSide إلى Gran Sasso منذ عام 2013 ، وقال D'Angelo إنها ستستمر لعدة سنوات أخرى. ومع ذلك ، فقد شارك الآن في تجربة أخرى مع TM في Gran Sasso تسمى SABER ، والتي تبحث أيضًا عن دليل مباشر على وجود جزيئات TM على أساس الضوء الذي يظهر عندما يتم إطلاق الطاقة نتيجة لتصادمها مع بلورات يوديد الصوديوم.

تم تصميم جهاز تجربة SABER خصيصًا ليبدو وكأنه تجربة أخرى تم الذهاب إلى Gran Sasso منذ عام 1995 ، تحت اسم DAMA. في عام 2003 ، بدأت تجربة DAMA في البحث عن التقلبات الموسمية لجسيمات المادة المظلمة التي تم التنبؤ بها في الثمانينيات نتيجة لحركة الأرض والشمس بالنسبة لبقية المجرة. قالت النظرية أن السرعة النسبية لأي جزيئات المادة المظلمة الموجودة على الأرض يجب أن تصل إلى الحد الأقصى في يونيو والحد الأدنى في ديسمبر.


ديفيد دانجيلو

منذ ما يقرب من 15 عامًا ، سجلت DAMA بالفعل تقلبات موسمية في أجهزة الكشف التي تتوافق مع النظرية والتوقيع المتوقع لجسيمات TM. بدا الأمر كما لو أن DAMA كانت أول تجربة في العالم تكتشف جسيمات المادة المظلمة. لكن المشكلة كانت أن DAMA لم تستطع استبعاد احتمال أن التوقيع الذي وجده مرتبط ببعض التقلبات الموسمية الأخرى للأرض ، وليس بالتغيرات في تدفق المادة المظلمة المرتبطة بحركة الأرض حول الشمس.

يجب على SABER إزالة الغموض في بيانات DAMA. بمجرد التخلص من جميع العيوب في المعدات ، ستصبح التجربة في Gran Sasso نصف SABER. يقع النصف الآخر في أستراليا ، في منجم الذهب السابق. يجب أن يساعد وجود المختبرات في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي في القضاء على جميع الإيجابيات الخاطئة المرتبطة بالتقلبات الموسمية الطبيعية. SABRE , .

SABRE , . , ', – .

«, , , , , , — '. – -, , ».

' . « , , , — '. – , . , – ».

- Golovanov.net . e-mail, RSS . .

. , !