هل هذه هي اللمحة الأولى للمادة المظلمة؟ نقطة البيانات تثير اهتمام الفيزيائيين

إنها نقطة بيانات واحدة، لكنها كافية لإثارة رجفة في العمود الفقري للفيزيائيين. في وقت ما من عام 2023 أو 2024، سجل كاشف يحتوي على 10 أطنان من الزينون السائل فائق النقاء وميضًا نشطًا غير عادي. لقد كان ذلك النوع من الإشارة التي يمكن أن تنتج عن اصطدام بين نواة الذرة وجسيم ضخم من المادة المظلمة أثناء مرورها عبر مجرتنا.

إذا كان من الممكن دعم هذا الاكتشاف بمزيد من البيانات، فقد يعني ذلك أن المادة المظلمة – المادة غير المرئية التي يُعتقد أنها تمنع المجرات من التطاير – قد تم اكتشافها أخيرًا. وسيظهر أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات أكبر بكثير من البروتونات، وهي “الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل” (WIMPs) التي تم وضعها نظريًا ولكنها ظلت غير مكتشفة على الرغم من عقود من البحث.

أعلن الباحثون الذين يعملون في تجربة LUX-ZEPLIN (LZ) في مرفق أبحاث سانفورد تحت الأرض في ليد، داكوتا الجنوبية، عن النتيجة في 1 سبتمبر في مؤتمر TeV Particle Astrophysics في تيندو، اليابان، ووصفوها في طبعة أولية منشورة على الموقع الإلكتروني للتجربة.¹.

التجارب السابقة لقد رأيت علامات الأمل من المادة المظلمة التي تبين أنها زائفويحذر الباحثون. لكن الحدث الوحيد الشاذ لـ LZ “مثير للاهتمام، وسيثير بلا شك هذا المجال”، كما يقول جيانجلاي ليو، الفيزيائي في جامعة شنغهاي جياو تونج في الصين.

حدث عالي الطاقة

لعقود من الزمن، افترض المنظرون أن المكون الرئيسي للمادة المظلمة هو الجسيمات الضعيفة (WIMP). لكن محاولات اكتشاف المادة المظلمة أثناء عبورها الأرض، أو تصنيعها عن طريق تحطيم الذرات في منشآت مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) بالقرب من جنيف بسويسرا، لقد جاءت فارغة. حول العديد من الباحثين انتباههم إلى المرشحين المحتملين الآخرينمثل الجزيئات الخفيفة جدًا.

LZ، التي بدأت في أواخر عام 2021، هي نسخة موسعة من التجارب السابقة التي تهدف إلى “الكشف المباشر” عن المادة المظلمة باستخدام الزينون. وفي الدراسة، قام صامويل إريكسن، الباحث في LZ الذي قدم النتيجة في مؤتمر Tendo، ومعاونوه بتحليل 220 يومًا من بيانات المراقبة المأخوذة من مارس 2023 إلى أبريل 2024.

وركزوا على الومضات النادرة التي تحدث عندما يصطدم جسيم عالي الطاقة بنواة الزينون، مما يجعلها ترتد بسرعة عالية. يقول إريكسن، عالِم فيزياء الجسيمات بجامعة بريستول بالمملكة المتحدة: “تركز عمليات البحث هذه عادةً على الطاقات المنخفضة، مما يعني ترسيب أقل من 50 كيلو إلكترون فولت من الطاقة” على نواة الزينون. “وفي هذا التحليل، قمنا بتوسيع ذلك إلى 270 كيلو إلكترون فولت.”

كل من LZ وسلسلتين متنافستين من التجارب – زينون في إيطاليا مختبرات غران ساسو الوطنية وPandaX في مختبر جينبينغ الصيني تحت الأرض في سيتشوان – أجرى أبحاثًا في نطاق الطاقة هذا من قبل، كما يقول إريكسن. لكنهم لم يتمكنوا من القيام بذلك إلا على مجموعات أصغر من البيانات من نسخة أصغر سابقة من كواشفهم، ولم يعثروا على أي شيء يتجاوز الخلفية المتوقعة للأحداث الزائفة، مثل النيوترونات عالية الطاقة التي ينتجها إشعاع الخلفية.

ولتجنب تحيزاتها الخاصة، يقوم تعاون LZ “بتمليح” بياناته أثناء كل تحليل بالعديد من الأحداث المنتجة عشوائيًا، والتي تحاكي الشكل الذي ستبدو عليه أحداث المادة المظلمة، كما يقول ريتشارد جايتسكيل، الفيزيائي بجامعة براون والمتحدث الرسمي باسم LZ. فقط عندما ينتهي الباحثون من مجموعة من البيانات، يقومون بـ “إزالة الملح” منها لمعرفة ما إذا كانت أي إشارات متبقية من المادة المظلمة حقيقية.

يقول جايتسكيل: “بعد أن قمنا بتفكيك الملح، لم يتبق سوى حدث واحد”. “من الواضح أن ذلك كان مثيرًا للغاية.”

كان الحدث “الزائد” عبارة عن ارتداد أدى إلى إيداع 248 كيلو إلكترون فولت من الطاقة في الكاشف. يقدر الباحثون في LZ أن جسيم المادة المظلمة الذي ينتج هذا الارتداد يجب أن يزن ما يعادل 200 جيجا إلكترون فولت على الأقل (GeV)، وربما حوالي 1000 جيجا إلكترون فولت (1 GeV يقابل تقريبًا كتلة البروتون).

يقول إريكسن: “ما نلاحظه هو مجرد حدث واحد عالي الطاقة”. “نحن لا ندعي أن هذه هي المادة المظلمة على الإطلاق.”

تكرار هذا

تقول كاترينا دوجليوني، عالمة فيزياء الجسيمات التجريبية بجامعة مانشستر بالمملكة المتحدة، والتي تعمل في تجربة ATLAS الخاصة بمصادم LHC في CERN، المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات: “هناك شيء واحد مؤكد: وهو أن الحدث مذهل للغاية”.

نظرًا لأن البحث ركز على منطقة غير مستكشفة جيدًا من طاقات الارتداد المحتملة، فإن استبعاد الخلفية “يتطلب الحذر الشديد”، كما يقول ليو، المتحدث الرسمي باسم PandaX. “يجب التحقيق في التفسيرات الدنيوية بدقة.”