قام الفيزيائيون في جامعة ستانفورد ببناء أداة غريبة يأملون في اكتشافها للمادة المظلمة ، على الرغم من أن تحديد الجسيمات النظرية التي يعتقدون أنهم سيجدونها – الفوتونات المخفية أو النقط الصغيرة التي تسمى الأكسيونات – لا تزال علامة استفهام.
يُعتقد أن الفوتونات المخفية تشبه إلى حد بعيد الفوتونات العادية ، والتي تُعرف أيضًا باسم جسيمات الضوء ، إلا أنها تمتلك كتلة وتتفاعل بشكل أضعف بكثير مع المادة العادية ، ومن ثم يتم إخفاءها. الأكسيونات هي نوع من الجسيمات دون الذرية (بوزون ، على وجه الدقة) التي يمكن أن يحل وجودها ، إذا تم إثباته ، مشكلة طويلة الأمد تتعلق بالطريقة التي يفهم بها الفيزيائيون الكون.
من المؤكد أن المادة المظلمة موجودة ، حيث يمكن رؤية آثارها الجاذبية في جميع المجرات تقريبًا. ولكن بينما يمكن ملاحظة المادة المظلمة بشكل غير مباشر ، فإن كل ما يشكلها فعليًا ، جزئيًا أو كليًا ، لم يتم اكتشافه مطلقًا.

المذنب في المادة المظلمة ليس بالضرورة مجرد شيء واحد ؛ يمكن أن يكون هناك أسباب متعددة لماذا 27٪ من الكون يبدو أنه مادة مظلمة. من بين المرشحين الشائعين الجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف (WIMPs) والمحاور الأقل ضخامة ، والفوتونات المخفية (تسمى أحيانًا المظلمة) ، وفئة من الكائنات تُعرف باسم كائنات هالة مدمجة ضخمة (ماتشو). اعتادت WIMPs أن تكون المرشح المسبق للمادة المظلمة ، ولكن العديد من التجارب التفصيلية التي تم إعدادها لاكتشافها ظهرت “الكثير من لا شيء” ، مثل ذكرت جيزمودو في عام 2020.
قال بيتر جراهام ، الفيزيائي النظري في جامعة ستانفورد ، لـ Gizmodo: “إن الأكسيون – دائمًا ما يكون من الصعب شرحه ، ولكن هناك سببان يدفعان الفيزيائيين بشكل عام إلى الشعور بالحماسة تجاهه”. لأسباب أخرى ، ولكن بعد ذلك أدركت أنها ستكون في الواقع مادة مظلمة مرشحة جيدة بشكل طبيعي “.
اسمه لمنظف الغسيل، لم يتم وصف الأكسيونات في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، لكنها تشرح مشكلة محبطة في المجال: أن بعض الخصائص المتوقعة للنيوترون لا تحدث في الطبيعة. (الفيزيائيون ، كما قد تتوقع ، هم من كبار المعجبين بشفرة أوكام: فكرة أن الحل الأبسط هو على الأرجح الحل الصحيح – لا داعي للمبالغة في تعقيد الأشياء.) ولكن من أجل معرفة ما إذا كانت الأكسيونات تثير بالفعل هذا السلوك الشاذ في النيوترونات ، الباحثين بحاجة إلى إيجاد واحد.

قال كينت إيروين ، الفيزيائي بجامعة ستانفورد والمحقق الرئيسي في راديو Dark Matter ، لـ Gizmodo: “إنها الطريقة الوحيدة القوية حقًا لحل هذه المشكلة بالنموذج القياسي”. “بغض النظر عن المادة المظلمة ، إذا لم يكن الأكسيون موجودًا ، فسوف يتسبب ذلك في حدوث صداع حقيقي للنموذج القياسي.”
يحاول مشروع Dark Matter Radio اكتشاف الفوتونات المخفية في نطاق تردد معين عن طريق إدارة الاتصال الهاتفي بشكل منهجي ، في ما يرقى إلى مستوى المريض ، والبحث الشامل عن الأطوال الموجية التي يمكن أن يصدر عنها صوت مثل هذا الجسيم. الأجيال اللاحقة من الراديو سوف تصطاد الأكسيونات.
بقدر ما تذهب الجسيمات دون الذرية ، بعضها صغير جدًا فقط ، بينما البعض الآخر شديد الصغر. بعضها ضخم بما يكفي لاكتشاف اصطدامه بمواد أخرى بسهولة نسبية ، مثل الاصطدامات التي تحدث في مصادمات الجسيمات. تتصرف الجسيمات الأخرى بطريقة مراوغة بحيث يسهل اكتشافها كموجات ، بسبب مدى انتشارها في الفضاء.
“[An axion] هو خفيف جدًا لدرجة أن ميكانيكا الكم تخبرك أنه في الواقع يجب أن تنتشر على مسافة كبيرة جدًا ، “قال جراهام. “يمكنك التفكير في الأمر أكثر على أنه موجة الخلفية ، سائل الخلفية الذي أنت منغمس فيه نوعًا ما.”
إذا كانت المادة المظلمة عبارة عن محاور جزئية على الأقل أو فوتونات مخفية ، فإن المادة تتدفق من خلالك وعبرني بأعداد كبيرة كل ثانية. مثل النيوترينوات، الجسيمات النظرية موجودة في كل مكان في المادة العادية في وقت واحد بسبب وفرتها وتجاوزها عمليًا بسبب ضآلة تفاعلها معها. تشتت الموجات المحورية كما يُفترض أن تكون في أي مكان من بضعة أقدام إلى ملاعب كرة القدم.
لهذا السبب يبحث راديو Dark Matter عن جسيمات المادة المظلمة من خلال البحث عن خلفيتها ، أو تردد معين يسافرون عليه ، على غرار الطريقة التي يمكن بها التقاط موجة راديو معينة فقط على التردد الذي تبثه. يحتاج هذا الراديو المعين إلى الحماية من أي نوع آخر من الموجات ، لذلك فهو مغمور في ديوار من الهيليوم المبرد إلى ما فوق الصفر المطلق. (الديوار هو في الأساس قارورة مفرغة – وفي هذه الحالة وعاء – للحفاظ على المواد عند درجة حرارة معينة ، وفي هذه الحالة للحفاظ على الهيليوم شديد البرودة.)
تجربة راديو Dark Matter الحالية هي النموذج الأولي ، أو Pathfinder ، لمشاريع أكبر أسفل الخط. يتكون من أسطوانة بحجم لتر مصنوعة من معدن النيوبيوم فائق التوصيل ، حولها سلك نيوبيوم ملفوف بإحكام. يشبه إلى حد ما شخصًا ما قام بلف أوتار الجيتار على المحور الرأسي للبكرة بدلاً من محوره الأفقي. هذا هو مغو الباثفايندر. إذا كان الفوتون المخفي يتردد على التردد الذي تم ضبط الباثفايندر على تمريره من خلاله ، فإن التغيير في المجال المغناطيسي سيحفز جهدًا حول محث الغريب.

قال ستيفن كوينستنر ، الفيزيائي بجامعة ستانفورد وعضو في فريق راديو DM. قال كوينستنر إن الفوتونات المخفية “يمكن أن تمر عبر الصندوق ولديها بعض الاحتمالية للتفاعل مع الدائرة بنفس الطريقة التي قد تتفاعل بها موجة الراديو”.
لتضخيم أي إشارة تلتقطها الباثفايندر ، يوجد درع سداسي من ألواح النيوبيوم يغلف المكونات المذكورة أعلاه والتي تعمل كمكثف. يتم بعد ذلك نقل هذه الإشارة المضخمة إلى مستشعر كمي يسمى SQUID (جهاز تداخل كمي فائق التوصيل) ، وهي تقنية اخترعتها شركة Ford Motor Company في الستينيات. يعيش الحبار في الجزء السفلي من الراديو ويقيس ويسجل أي إشارات يتم التقاطها.
كلما أصبحت الكتلة المتوقعة للأكسيون أصغر ، كلما كان الجسيم بعيد المنال ، لأن تفاعلاته مع المادة العادية يتناسب مع كتلته. لذلك من المهم أن يصبح الجيل القادم من راديو DM أكثر حساسية. طريقة إعداد التجربة ، “التردد على القرص هو كتلة الأكسيون” ، قال إروين. مناسب! لا تقارن كتلة هذه الجسيمات حتى بأصغر الأشياء التي قد تفكر فيها ، مثل الذرات أو الكواركات. ستكون هذه الجسيمات في مكان ما بين تريليون ومليون من الكترون فولت ، و electronvolt هو حوالي جزء من المليار من كتلة البروتون.
غرفة الباثفايندر مريحة ، وتشبه إلى حد كبير معمل فيزيائي عادي ، لكن بالنسبة للمنصة التي تبدو مهددة والتي تغرق الباثفايندر في الهيليوم وخزانات غاز الهيليوم الكبيرة المربوطة بالحائط في حالة حدوث زلازل. في عام 1989 ، كان إيروين طالب دراسات عليا في جامعة ستانفورد ، وعمل في أقبية الجامعة عندما ضرب زلزال لوما برييتا بقوة 6.9 درجة المنطقة ، مما أدى إلى سقوط طفايات الحريق من الجدران. من الآمن أن نقول إن المختبر لا يأخذ أي فرصة مع الهيليوم (على الرغم من أنه غير قابل للاشتعال ، يمكن للغاز أن يحل محل الأكسجين ، مما يتسبب في الاختناق).
يستخدم الهيليوم باثفايندر الغازي ويظل دافئًا نسبيًا 4 كلفن (بمعنى آخر ، أربع درجات فوق الصفر المطلق) ، لكن التجربة التالية – راديو المادة الداكنة 50L – ستستخدم الهيليوم السائل ، المبرد إلى أقل من درجة واحدة فوق الصفر المطلق . كل ما هو أفضل لسماع المادة المظلمة باستخدام.
راديو DM 50L موجود في زاوية غرفة كبيرة في مختبر الفيزياء التجريبية هانسن في ستانفورد. تبدو الغرفة قليلاً مثل غرفة التلفزيون في مصنع ويلي ونكا ؛ إنه ذو أسقف عالية ، والكثير من المعدات الغامضة ، ولونه أبيض صارخ. يوجد ثلاجتان للتخفيف بطول 6 أقدام على جانب واحد ، متجاورة مع خزانة عميقة ، هما الراديو. يتم تغذية الآلتين بالهيليوم الغازي الموجود في خزانات في الغرفة المجاورة ، ثم يتم تبريدهما إلى الهيليوم السائل ذي البرودة البالغة 2 كلفن. سوف تقوم المغناطيسات الموجودة داخل أغلفة النحاس والألومنيوم المطلية بالذهب بمهمة تحويل أي محاور تم اكتشافها إلى موجات راديو ليقوم الفيزيائيون بتفسيرها.
“مجتمع فيزياء الجسيمات – وهذا التشبيه غالبًا ما يقال – تمامًا مثل البارجة. قال إروين إن الأمر يستغرق بعض الوقت وله الكثير من الزخم. “لذلك على الرغم من أنني أعتقد أن هناك الكثير من الأسباب للاعتقاد بأن إشارات المادة المظلمة الشبيهة بالراديو أكثر جاذبية – الإشارات المحورية – من WIMPs ، لا يزال هناك الكثير من التجارب العملاقة التي تبحث عن أشياء صغيرة ، وهو أمر جيد.”

تشمل التجارب الأخرى على مطاردة الأكسيون ADMX تجربة في جامعة واشنطن قيسمت تجربة في Fermilab ، و تعويذة تجربة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، و هايستاك البحث في جامعة ييل. راديو DM مشابه للعديد من هؤلاء ، لكنه يبحث عن محاور في نطاق مختلف. في حفلة موسيقية ، تعمل مجموعة مطاردة الأكسيون حول الولايات المتحدة وخارجها على تقييد الجماهير المحتملة للمحور.
يجب اعتبار راديو Dark Matter نفسه أكثر من عائلة من التجارب: يعمل الفريق حاليًا مع وزارة الطاقة على تجربة الجيل التالي التي ستبحث عن الأكسيونات في متر مكعب ، ومن هنا اسمها DM Radio-m³ . في المستقبل البعيد ، لدى إروين وفريقه تطلعات لمشروع يسمى راديو DM-GUT، والتي ستكون أقرب إلى نطاق بعض أكبر تجارب الفيزياء على هذا الكوكب.
مجتمعة ، تمسح التجارب مساحة واسعة من النطاق الواعد لكتلة الأكسيون. قال إروين إن المنطقة المفضلة لكتلة الأكسيونات يمكن البحث عنها في العقدين المقبلين باستخدام تجارب أكبر – على الرغم من أن الفريق كان بإمكانه ببساطة العثور على أكسيون قبل ذلك الوقت ، مما قد ينهي البحث عن المادة المظلمة بأكملها. مع الاستماع الكافي ، قد يكون لدينا جسيم جديد تمامًا للكتب المدرسية. أو ربما يكون هناك صمت إذاعي.
المزيد: قد يهرب المشتبه به الرئيسي للمادة المظلمة من النجوم النيوترونية