على الرغم من الجهود الهائلة والمكلفة لمعرفة هوية الأشياء غير المرئية التي يبدو أنها تشكل جزءًا كبيرًا من الكون ، لم يتم اكتشاف أي مادة مظلمة مقترحة بواسطة أي تجربة علمية. الآن ، اقترح فريق من الباحثين تصميمًا لتجربة جديدة للمادة المظلمة ، تعتمد على مرآة فائقة النحافة وتهدف إلى اكتشاف شيء يسمى الفوتونات المظلمة.
البحث، نشرت في وقت سابق من هذا العام في مجلة Physical Review Letters ، يصف مقياس تسارع بحجم العملة المعدنية والذي من شأنه ، من الناحية النظرية ، أن يكون قادرًا على قياس وجود جزيئات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها من خلال التجارب القديمة. يتابع العمل على ورقة سابقة من قبل نفس الفريق نشرت الصيف الماضي.
تسمى الجسيمات النظرية التي يأملون في العثور عليها بالفوتونات المظلمة. لا يتم الخلط بينها وبين فوتونات الضوء. قال جاك مانلي ، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية الجديدة وأبحاث البصريات الكمومية في مختبر سواتي سينغ بجامعة ديلاوير: “تمامًا مثل الفوتونات ، يتم تمثيلها بما يعادل” المجال الكهرومغناطيسي “. ومع ذلك ، على عكس الفوتونات ، تمتلك الفوتونات المظلمة كتلة. هذه الخاصية تجعلهم مرشحين للمادة المظلمة “.
استكشفت الورقتان أنواعًا مختلفة من توقيعات المادة المظلمة. في الأساس ، الطرق المختلفة التي يعتقد الفيزيائيون أنها يمكن أن تقدم شم للأشياء الحقيقية. قال المؤلف المشارك سواتي سينغ: “تنظر الورقتان في احتمال أن مجرتنا تسبح في بحر من الجسيمات أخف تريليونات المرات من الإلكترون ، وهذه الجسيمات التي لم يتم اكتشافها بعد تشكل كل المادة المظلمة”. ، عالم نظريات البصريات الكمومية في جامعة ديلاوير. “ومع ذلك ، هناك اختلافات رئيسية بين ماهية هذه الجسيمات وكيفية تفاعلها مع المادة العادية.”
يبحث الفيزيائيون عن شيء أطلقوا عليه اسم “المادة المظلمة” لأنهم عندما ينظرون إلى الكون ، فإنهم يرون تأثيرات الجاذبية التي تشير إلى وجود كتلة أكبر بكثير من المادة العادية التي يمكننا اكتشافها. ومن ثم ، فإنهم يعتقدون أنه يجب أن يكون هناك بعض “الظلام” – غير المرئي لتقنياتنا الحالية – من الأشياء لحساب كل هذه الجاذبية الزائدة. إحدى نظريات المادة المظلمة هي أن الأشياء التي تسمى الأكسيونات مسؤولة عن تأثيرات الجاذبية المرئية للمادة غير المرئية. (أ الاقتراح الأخير يعتقد أن مثل هذه المحاور قد تظهر وتخرج من الوجود في النوى الغامضة للنجوم النيوترونية). بعض المتنافسون منذ فترة طويلة تُعرف بالجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل ، أو WIMPs. فكرة أخرى هي أن المادة المظلمة يمكن تفسيرها ثقوب سوداء صغيرة من الكون البدائي. تأتي كل هذه الأفكار المتنوعة حول كيفية ظهور المادة المظلمة وأين توجد بأفكار حول كيفية اكتشافها.
أوضح سينغ أن هناك الكثير من عدم اليقين بشأن مدى كثافة المادة المظلمة. قالت إن هناك ما يقرب من مادة مظلمة للسنجاب مقابل كل كتلة بحجم الأرض ؛ السؤال ليس مقدار المادة المظلمة الموجودة ، ولكن ما إذا كانت هذه المادة المظلمة مركزة بالفعل في كتلة بحجم السنجاب موزعة بالتساوي في جميع أنحاء كتلة بحجم الأرض في ضباب شديد الرقة من الجسيمات.
اقتراح الفريق عبارة عن بطاقة بحجم عملة معدنية بسماكة 100 نانومتر مصنوعة من غشاء نيتريد السيليكون ومرآة من البريليوم. المواد حساسة للغاية ، وعندما يرتد الضوء بين الأسطح ، سيكون الكاشف قادرًا على قياس ما إذا كانت المسافة بين المرآة والغشاء قد تغيرت على الإطلاق ؛ هذا من شأنه أن يشير إلى أن شيئًا ما دفعهم بعيدًا – تلميحًا لفيزياء جديدة. مثل الشوكة الرنانة ، يمكن ضبط جهاز الفريق على “الاستماع” للمادة المظلمة بتردد معين. إذا تم بناء الكثير من هذه الكواشف ، فيمكن تعيين كل واحدة على قنوات مختلفة (ترددات) للحذر من المادة المظلمة ؛ إذا لم تظهر أي نتائج في فترة زمنية معينة ، فيمكنهم الاستمرار في تصفح القناة.
الجهاز قابل للتطوير وبأسعار معقولة ، وهو بعيد كل البعد عن تخطيطات كاشف المادة المظلمة التقليدية التي تتطلب أشياء مثل طن من الزينون مدفون تحت جبل. في الواقع ، سيكون تصميم الفريق منضدية ، ولكن ليس بالطريقة التي قد تفهمها على الفور.
قال المؤلف المشارك Dalziel Wilson ، الباحث التجريبي في البصريات الكمومية في جامعة أريزونا: “نعني طاولة بصرية ، توضع عادةً على أرجل هوائية تعزلها عن الأرض ، مثل نظام التعليق في سيارة فاخرة”. “إذا لم يكن هذا جيدًا بما يكفي – وهو ما لن يكون كذلك – فسيتعين علينا بناء نظام تعليق آخر أعلى الطاولة. ثم آخر ، وما إلى ذلك ” كلما كان الكاشف معلقًا بشكل أفضل (كلما اقترب من السقوط الحر) ، كانت نتائجه أفضل يمكن أن تقطع ضجيج النشاط الأرضي. وأشار ويلسون إلى أن الأوراق لا تتعلق بالضرورة بالتصميم التجريبي المحدد الذي توصل إليه الفريق ، بل بالأحرى دعوة للذراع لمجموعات مماثلة تعمل على أجهزة قياس دقيقة لمثل هذه المهام الصعبة.
قدر سينغ أن العمليات التجريبية مع الكاشف يمكن أن تكون جاهزة للعمل في حوالي خمس سنوات. هل ستعثر هذه المستشعرات بحجم نصف لتر على أي مادة مظلمة؟ حسنا ، لا أحد حتى الآن. ولكن حتى النتيجة الفارغة تخبر الفيزيائيين عن المادة المظلمة لا، مما سيساعد في تحسين عمليات البحث المستقبلية.
