يخطط الفيزيائيون لعدم تفويت فرصة واحدة: ما إذا كانت المادة المظلمة تؤثر على أنواع مختلفة من أجهزة الكشف ، وما إذا كان ضوء النجوم ينحني ، وما إذا كانت نوى الكواكب ترتفع حرارتها وما إذا كانت تترسب في الصخور.
خيارات الرسم البياني لكتلة جسيمات المادة المظلمة (قابلة للنقر)
منذ ذلك الحين ، كما في ثمانينيات القرن الماضي ، اتفقت على أن معظم الكتلة في الكون غير مرئية لنا ، وأن هذه "المادة المظلمة" يجب أن تمنع المجرة من التدمير وأن تتشكل من خلال ظهور الجاذبية للكون بأكمله الباحثون عن هذه الجسيمات غير المضيئة.
بدأوا في البداية في البحث عن شكل ثقيل وبطيء من المادة المظلمة يسمى الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل.(الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل ، WIMP) - wimps. كان هذا المرشح المبكر أحد أكثر المرشحين تفضيلًا لدور المادة الكونية المفقودة - يمكنه حل لغز آخر منفصل عن فيزياء الجسيمات. لعقود من الزمان ، كان الفيزيائيون يبنون أهدافًا أكبر من أي وقت مضى على شكل بلورات وخزانات متعددة الأطنان من السوائل الغريبة ، على أمل التقاط الوميض النادر في الذرات الذي يحدث بعد الاصطدام مع WIMPs.
لكن أجهزة الكشف ظلت صامتة ، وبدأ الفيزيائيون على نحو متزايد في التكهن بمجموعة أوسع من الاحتمالات. على الجانب الأكثر ضخامة من الطيف ، كما يقولون ، يمكن للمادة غير المرئية من الكون أن تتجمع معًا ، وتشكل ثقوبًا سوداء تزن من نجم. على الطرف الآخر ، يمكن للمادة المظلمة أن تنتقل في ضباب خفيف من الجسيمات ، أخف بآلاف تريليونات تريليون مرة من الإلكترون.
تجلب الفرضيات الجديدة طرق اكتشاف جديدة. تقول كاثرين زوريك ، عالمة الفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، إنه إذا لم نشاهد أي شيء في تجارب WIMP الحالية ، "فسيتحول الكثير من الأبحاث في هذا المجال إلى هذه التجارب الجديدة."
وقد بدأ العمل بالفعل. فيما يلي عدد قليل من الحدود العديدة الجديدة في البحث عن المادة المظلمة.
بين الإلكترون والبروتون
سيكون لدى WIMPs كتلة كافية للقضاء على ذرات كاملة مثل كرة البولينج. ولكن في حالة كانت المادة المظلمة أخف ، يتم تحضير دبابيس أخف في بعض التجارب.
يمكن للمطر الخفيف من جسيمات المادة المظلمة التي يقل وزنها عن البروتون في بعض الأحيان إخراج الإلكترونات من الذرات التي تحتوي عليها. التجربة الأولى المصممة خصيصًا لالتقاط مثل هذه المادة المظلمة هي الأداة التجريبية Sub-Electron-Noise Skipper CCD ( SENSEI ) ، والتي تستخدم تقنية مشابهة لتلك الموجودة في الكاميرات الرقمية. إنه يضخم الإشارات من الإلكترونات المتسارعة بشكل غير متوقع التي تظهر داخل المادة.
عندما تم تشغيل النموذج الأولي SENSEI ، ووضع عُشر جرام من السيليكون فيه ، لم يجد المادة المظلمة. ومازالت النتائج التي تم الحصول عليهانشره الفريق في عام 2018 ، واستبعد على الفور نماذج معينة.
قال تيان تيان يو ، الفيزيائي بجامعة أوريغون وعضو فريق SENSEI: "بمجرد تشغيله ، حصلنا على الفور على أفضل القيود في العالم" . "لأنه لم تكن هناك قيود من قبل". وسعت
النتائج الأخيرة لإصدار 2 جرام من تجربة SENSEI من هذه القيود ، ويستعد يو وزملاؤه الآن لتطبيق نسخة 10 جرام في مختبر تحت الأرض في كندا ، بعيدًا عن الأشعة الكونية المتداخلة. تعمل مجموعات أخرى على تطوير إصدارات بديلة منخفضة التكلفة من التجارب تهدف إلى نتائج مماثلة وسهلة التحقيق.
نحو الإغاثة
إذا كانت المادة المظلمة أخف وزنا ، أو ليست عرضة للشحنات الكهربائية ، فإنها لن تقطع الإلكترونات. طرق عصف ذهني لـ Zürek من شأنها أن تسمح حتى لمثل هذا القدر الصغير من وجودها بالتأثر بمجموعات الجسيمات.
تخيل كتلة من السيليكون على شكل فراش ، والينابيع منها نوى ذرية. يقول Tsyurek ، إذا رميت عملة صغيرة في مثل هذه المرتبة ، فلن يتحرك أي من الينابيع كثيرًا. ومع ذلك ، ستسبب العملة المعدنية موجة تنتقل بعد ذلك عبر العديد من الينابيع. في عام 2017 ، اقترحت أن اضطرابًا مشابهًا تسببه المادة المظلمة يمكن أن يولد موجات صوتية تعمل على تسخين النظام قليلاً.
أحد المشاريع التي تتبع هذا المسار ، Tesseract، تعمل الآن في قبو جامعة كاليفورنيا في بيركلي. إنه يبحث عن موجات تولدها جسيمات المادة المظلمة ، وهي مماثلة في الوزن لتلك التي يبحث عنها SENSEI. ومع ذلك ، فإن الإصدارات المستقبلية من التجربة ستجعل من الممكن نظريًا البحث عن جسيمات أخف ألف مرة.
ومع ذلك ، هناك أيضًا المزيد من الاحتمالات Lilliputian. يمكن أن تتكون المادة المظلمة من أكسيونات - وهي جسيمات خفيفة للغاية بحيث تبدو مثل الموجات أكثر من الجسيمات. كما أنه سيحل لغز القوة النووية القوية. في الآونة الأخيرة ، بدأت تجربة المادة المظلمة من Axion ( ADMX ) في البحث عن المحاور التي تتحلل إلى أزواج من الفوتونات في مجال مغناطيسي قوي. بدأت العديد من التجارب المماثلة الأخرى في العمل.
بعض التجاربتستهدف حتى الجسيمات الأخف. أصغر كتلة يمكن أن يمتلكها جسيم المادة المظلمة نظريًا هي ألف تريليون مرة أقل من كتلة الإلكترون. سيكون جسيمًا بموجة طاقة منخفضة للغاية ، وطول موجي يقارن بقطر مجرة صغيرة. حتى الجسيمات الأقل ثقلًا ستكون ملطخة جدًا في الفضاء ولا يمكنها تفسير سبب عدم تفكك المجرات.
تلميحات من فوق
بينما يقوم بعض المجربين بإعداد الجيل التالي من الأجهزة ، بهدف إقامة اتصال مباشر مع المادة المظلمة ، يخطط آخرون لتمشيط السماء بحثًا عن علامات غير مباشرة لها.
يُعتقد أن المجرات والنجوم تخلق غيومًا ضخمة من المادة المظلمة التي تسحب الجاذبية المادة المرئية. ومع ذلك ، إذا كانت هناك مجموعات صغيرة من المادة المظلمة ، فلن يتمكنوا من القيام بذلك. ستكون هذه الكتل المتواضعة مظلمة تمامًا ، لكنها ستظل تنحني ضوء النجوم العابر. تبحث مجموعة من الباحثين عن إشارات على "انعكاس" ضوء النجوم بواسطة كتل من المادة المظلمة في البيانات من تلسكوب جايا الفضائي ، الذي يعمل حاليًا .
قالت آنا ماريا تاكي: "تتحرك الهياكل المظلمة عبر مجرتنا"، عالم فيزياء في جامعة أوريغون ، أحد أعضاء هذه المجموعة. "عندما يتحركون ، فإنهم يشوهون موقع وحركة ومسارات مصادر الضوء." ولم تظهر
النتائج الأولية التي نُشرت في سبتمبر (أيلول) الماضي ، وجود مثل هذه الهياكل ، التي ستكون كتلتها أكبر من 100 مليون شمس. يأمل الباحثون في الحصول على قواعد بيانات أكبر حيث يمكن العثور على سحب أصغر. واستنادًا إلى حجم وشكل هذه الهياكل الافتراضية ، سيتمكن العلماء بالفعل من فهم كيفية تفاعل جسيمات المادة المظلمة مع بعضها البعض.
توصل باحثون آخرون إلى طريقة لتكييف الكتالوج المتنامي بسرعة من الكواكب الخارجية من أجل البحث. قالت ريبيكا لين: "هناك مليارات فقط من هذه الأشياء" .، فيزيائي الجسيمات في مختبر المسرع الوطني SLAC ، المؤلف المشارك لاقتراح سبتمبر .
الفكرة هي أن الكوكب الذي يطير عبر درب التبانة يمكن أن يتراكم المادة المظلمة في قلبه. إن جزيئات هذه المادة المظلمة ، التي تبيد بجسيماتها المضادة ، تسخن الكوكب. تمر الكواكب الخارجية الأقرب إلى مركز المجرة من خلال مجموعات أكثر كثافة من المادة المظلمة ، لذا يجب أن تتوهج أكثر في نطاق الأشعة تحت الحمراء. حسب لين وزملاؤه أنه إذا كان بإمكان تليسكوب جيمس ويب الفضائي المستقبلي قياس درجة حرارة عدة آلاف من الكواكب الخارجية ، فسيكون من الممكن في مجموعة البيانات هذه النظر في علامات إبادة جسيمات المادة المظلمة ، التي تقع كتلتها في النطاق بين الإلكترون والبروتون.
المادة المظلمة في كل مكان
قد يكون Wimps في حالة تدهور ، لكن لم يتم التخلي عنه بالكامل بعد. في مارس المقبل ، سيطلق مختبر Gran Sasso الوطني في إيطاليا تجربة على خزان زينون 4 أطنان. يريد فريق Cosine-100 الكوري الجنوبي اختبار الادعاء المثير للجدل الذي قدمه المشاركون في تجربة أخرى في Gran Sasso ، DAMA. في الأخير ، سجلت مجموعة من بلورات يوديد الصوديوم بالضبط نوع التغيرات الموسمية في البيانات التي يجب أن تحدث عندما تضع الأرض جوانب مختلفة من "رياح" المادة المظلمة التي تمر من خلالها. "لديهم تعديل سنوي ، ولا شك في ذلك. ولكن من أين أتى؟ " سعيد كاثرين فرايز ، عالمة الفيزياء الفلكية بجامعة تكساس في أوستن. "لا يمكننا أن نفهم هذا".
ساعدت حسابات Fries في بدء عصر تجربة WIMP. الآن لديها أفكار جديدة للعثور على هذه الجسيمات. في عام 2018 ، اقترحت أنه قد يتم احتواء الجبناء في صخور بعمق عدة كيلومترات ، وانضمت مؤخرًا إلى اقتراح للتنقيب عنها.
يتوقع العديد من الفيزيائيين أن تكون المادة المظلمة غير مبالية وفي كل مكان. إذا كان بإمكانهم التفكير في طرق كافية لإحساس غير المرئي ، فإن تأثيره غير المرئي يمكن أن يظهر في أي مكان. تتضمن هذه الطرق التقاط أنواع مختلفة من أجهزة الكشف ، وتشويه ضوء النجوم ، وتسخين نوى الكواكب ، وحتى التراكم في الصخور.
قال لين: "يمكن لأي شيء أن يكون كاشفًا للمادة المظلمة". "تحتاج فقط إلى أن تكون مبدعًا بما يكفي لمعرفة كيفية استخدامه."