يخطو العلماء الأستراليون خطوات واسعة نحو حل أحد أعظم الألغاز في الكون: طبيعة المادة المظلمة غير المرئية.
أكملت تجربة ORGAN ، أول كاشف رئيسي للمادة المظلمة في أستراليا ، مؤخرًا بحثًا عن جسيم افتراضي يسمى الأكسيون - مرشح شائع بين النظريات التي تحاول تفسير المادة المظلمة.
وضعت ORGAN قيودًا جديدة على الخصائص المحتملة للمحاور ، وبالتالي ساعدت في تضييق نطاق البحث عنها. لكن قبل أن نتقدم على أنفسنا ...
لنبدأ بقصة
منذ حوالي 14 مليار سنة ، تم ضغط كل أجزاء المادة الصغيرة - الجسيمات الأساسية التي ستصبح فيما بعد أنت ، والكوكب ، والمجرة - في منطقة واحدة شديدة الكثافة والحارة.
ثم حدث الانفجار العظيم وتطاير كل شيء. اندمجت الجسيمات في ذرات ، والتي تجمعت في النهاية معًا لتكوين نجوم ، والتي انفجرت وخلقت جميع أنواع المواد الغريبة.
بعد بضعة مليارات من السنين ، ظهرت الأرض ، والتي كانت تزحف في النهاية بأشياء صغيرة تسمى البشر. قصة رائعة ، أليس كذلك؟ تبين أنها ليست القصة كاملة. انها ليست حتى النصف.
الناس والكواكب والنجوم والمجرات كلها مصنوعة من مادة عادية. لكننا نعلم أن المادة العادية تشكل فقط سدس المادة الموجودة في الكون.
الباقي مصنوع مما نسميه المادة المظلمة. يخبرك اسمها بكل ما نعرفه عنها تقريبًا. لا ينبعث منها ضوء (لذلك نسميها مظلمة) ولها كتلة (لذلك نسميها مادة).
إذا كان غير مرئي ، فكيف نعرف أنه موجود؟
عندما نلاحظ الطريقة التي تتحرك بها الأشياء في الفضاء ، نجد مرارًا وتكرارًا أنه لا يمكننا شرح ملاحظاتنا إذا أخذنا في الاعتبار ما يمكننا رؤيته فقط.
تعد المجرات الدوارة مثالًا رائعًا على ذلك. تدور معظم المجرات بسرعات لا يمكن تفسيرها بسحب الجاذبية من المادة المرئية وحدها.
لذلك يجب أن تكون هناك مادة مظلمة في هذه المجرات ، توفر جاذبية إضافية وتسمح لها بالدوران بشكل أسرع - دون أن تنطلق أجزاء منها في الفضاء. نعتقد أن المادة المظلمة تحافظ حرفيًا على المجرات معًا.
لذلك يجب أن يكون هناك كمية هائلة من المادة المظلمة في الكون ، تسحب كل الأشياء التي يمكننا رؤيتها. إنه يمر من خلالك أيضًا ، مثل نوع من الأشباح الكونية. لا يمكنك الشعور به.
كيف يمكننا اكتشافه؟
يعتقد العديد من العلماء أن المادة المظلمة يمكن أن تتكون من جسيمات افتراضية تسمى الأكسيونات. تم اقتراح الأكسيونات في الأصل كجزء من حل لمشكلة رئيسية أخرى في فيزياء الجسيمات تسمى مشكلة CP القوية (والتي يمكننا كتابة مقال كامل عنها).
على أي حال ، بعد اقتراح الأكسيون ، أدرك العلماء أن الجسيم يمكنه أيضًا تكوين المادة المظلمة في ظل ظروف معينة. هذا لأنه من المتوقع أن يكون للأكسيونات تفاعلات ضعيفة جدًا مع المادة العادية ، ولكن لا يزال لديها بعض الكتلة: الشرطان اللازمين للمادة المظلمة.
إذن كيف يمكنك البحث عن الأكسيونات؟
حسنًا ، بما أنه يُعتقد أن المادة المظلمة موجودة في كل مكان حولنا ، يمكننا بناء كاشفات هنا على الأرض. ولحسن الحظ ، فإن النظرية التي تتنبأ بالأكسيونات تتنبأ أيضًا بأن المحاور يمكن أن تتحول إلى فوتونات (جسيمات ضوء) في ظل الظروف المناسبة.
هذه أخبار جيدة ، لأننا بارعون في اكتشاف الفوتونات. وهذا بالضبط ما يفعله ORGAN. فهو يصمم الظروف الصحيحة لتحويل الفوتون الأكسيون ويبحث عن إشارات الفوتون الضعيفة - ومضات صغيرة من الضوء تولدها المادة المظلمة التي تمر عبر الكاشف.
يُطلق على هذا النوع من التجارب اسم هالوسكوب الأكسيون وقد تم اقتراحه لأول مرة في 1980s. يوجد عدد قليل في العالم اليوم ، كل واحد مختلف قليلاً في نواحٍ مهمة.
تسليط الضوء على المادة المظلمة
يُعتقد أن الأكسيون يتحول إلى فوتون في وجود مجال مغناطيسي قوي. في هالوسكوب نموذجي ، نقوم بتوليد هذا المجال المغناطيسي باستخدام مغناطيس كهربائي كبير يسمى الملف اللولبي فائق التوصيل.
داخل المجال المغناطيسي ، نضع واحدة أو عدة غرف مجوفة من المعدن ، والتي تهدف إلى حبس الفوتونات والتسبب في ارتدادها في الداخل ، مما يسهل اكتشافها.
ومع ذلك ، هناك عثرة واحدة. كل ما له درجة حرارة يصدر باستمرار ومضات عشوائية صغيرة من الضوء (وهذا هو سبب عمل كاميرات التصوير الحراري). هذه الانبعاثات العشوائية ، أو الضوضاء ، تجعل من الصعب اكتشاف إشارات المادة المظلمة الباهتة التي نبحث عنها.
للتغلب على هذا ، وضعنا جهاز الرنان في ثلاجة مخففة. تعمل هذه الثلاجة الفاخرة على تبريد التجربة إلى درجات حرارة شديدة البرودة ، حوالي -273 درجة مئوية ، مما يقلل بشكل كبير من الضوضاء.
كلما كانت التجربة أكثر برودة ، كان من الأفضل "الاستماع" للفوتونات الباهتة التي يتم إنتاجها أثناء تحويل المادة المظلمة.
استهداف مناطق جماهيرية
سيتحول محور كتلة معينة إلى فوتون بتردد أو لون معين. ولكن نظرًا لأن كتلة الأكسيونات غير معروفة ، يجب أن تستهدف التجارب بحثها في مناطق مختلفة ، مع التركيز على المناطق التي يُرجح فيها وجود المادة المظلمة.
إذا لم يتم العثور على إشارة للمادة المظلمة ، فإما أن التجربة ليست حساسة بما يكفي لسماع الإشارة فوق الضوضاء ، أو لا توجد مادة مظلمة في منطقة كتلة الأكسيون المقابلة.
عندما يحدث هذا ، نضع "حدًا للاستبعاد" - وهي مجرد طريقة للقول "لم نجد أي مادة مظلمة في نطاق الكتلة هذا ، إلى هذا المستوى من الحساسية." يخبر هذا بقية مجتمع أبحاث المادة المظلمة بتوجيه أبحاثهم إلى مكان آخر.
ORGAN هي التجربة الأكثر حساسية في نطاق التردد المستهدف. لم يكتشف تشغيله الأخير أي إشارات للمادة المظلمة. وضعت هذه النتيجة حدًا مهمًا للاستبعاد على الخصائص المحتملة من الأكسيونات.
هذه هي المرحلة الأولى من خطة متعددة السنوات للبحث عن المحاور. نقوم حاليًا بإعداد التجربة التالية ، والتي ستكون أكثر حساسية وتستهدف نطاقًا جماعيًا جديدًا لم يتم استكشافه بعد.
لكن لماذا المادة المظلمة مهمة؟
حسنًا ، على سبيل المثال ، نعلم من التاريخ أنه عندما نستثمر في الفيزياء الأساسية ، ينتهي بنا المطاف بتطوير تقنيات مهمة. على سبيل المثال ، تعتمد جميع الحوسبة الحديثة على فهمنا لميكانيكا الكم.
لم نكن لنكتشف الكهرباء أو موجات الراديو أبدًا ، إذا لم نلاحق الأشياء التي ، في ذلك الوقت ، بدت وكأنها ظواهر فيزيائية غريبة تفوق فهمنا. المادة المظلمة هي نفسها.
ضع في اعتبارك كل ما أنجزه البشر من خلال فهم سدس المادة في الكون فقط - وتخيل ما يمكننا فعله إذا فتحنا البقية.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.
الصورة الائتمان: تعاون Illustris
