عاجل: ربما وجد الفيزيائيون أفضل دليل على وجود المادة المظلمة حتى الآن: ScienceAlert

في تجربة تجري في أعماق الأرض، من المفارقات أن وميضًا صغيرًا من الضوء قد يمثل أول اكتشاف للكائنات الفضائية المادة المظلمة.

من المفترض أن يفوق عدد هذه المادة الغامضة عدد المادة العادية بنسبة 5 إلى 1، ولكن على الرغم من عقود من البحث، فقد ظلت موجودة بعيد المنال بشكل محبط.

الآن، أبلغ الفيزيائيون عن إشارة غريبة في تجربة لوكس زيبلين (LZ). يمتلك جميع الخصائص المتوقعة من مرشح رئيسي للمادة المظلمة، ومن الصعب تفسيره من خلال الفيزياء المعروفة.

تم الإعلان عن النتائج – التي لم تتم مراجعتها بعد – في عرض تقديمي في اجتماع مؤتمر الفيزياء الفلكية في اليابان هذا الأسبوع.

يتوخى الفريق الحذر بشأن وصفه مبكرًا جدًا: فالحدث لم يتجاوز العتبة الإحصائية التي تسمح للعلماء باستبعاد التفسيرات الأخرى بشكل فعال.

“نحن مهتمون للغاية برؤية هذا الحدث في البيانات، في المنطقة التي نتوقع ظهور المادة المظلمة فيها والخلفيات المتنافسة منخفضة للغاية.” يقول ريك جايتسكيل، عالم فيزياء بجامعة براون والمتحدث الرسمي باسم LZ.

“مع حدث واحد فقط، لا نريد أن نتقدم على أنفسنا. نحن لا ندعي أننا رأينا المادة المظلمة. لكننا رأينا شيئًا مثيرًا للاهتمام ونريد مشاركته مع المجتمع العلمي لمدخلاته.”

منذ ثلاثينيات القرن العشرين، أدرك علماء الفيزياء الفلكية أن ما نراه في الكون لا يتماشى تمامًا مع نماذجنا للكون. يبدو أن هناك كتلة إضافية تتفاعل في الغالب مع المادة العادية من خلال تأثير الجاذبية.

ولأنها لا تبعث أو تعكس الضوء، فقد أُطلق على هذه المادة الغامضة اسم “المادة المظلمة”.

بالضبط ماذا استمارة فإنه يأخذ لا يزال غير معروف، لذلك مجموعة متنوعة من التجارب لقد تم البحث لمختلف المرشحين المحتملين، ل لا جدوى.

LZ هي مجرد واحدة من هذه التجارب، وقد تم ضبطها خصيصًا لاكتشاف الإشارات الصادرة عن المادة المظلمة التي يطلق عليها الفيزيائيون الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs).

كما يوحي الاسم، هذا شكل المادة المظلمة ستتكون من جسيمات منفصلة ذات كتل كبيرة وتفاعلات ضعيفة فقط مع المادة العادية، والتي يصعب اكتشافها.

في معظم الأحيان، يجب أن تمر الجسيمات ضعيفة التفاعل (WIMPs) مباشرة عبر مادة طبيعية دون أن تترك أثرا، ولكن في حالات نادرة للغاية، قد يصطدم أحدها بذرة مادة عادية، مما يخلق وميضًا خافتًا من الضوء والإلكترونات.

تم تصميم LZ لاكتشاف هذه التفاعلات بعيدة المنال. ويتكون من خزان ضخم من الزينون السائل تعلوه طبقة رقيقة من الزينون الغازي. إذا مرت WIMP عبر ذرة وصدمتها، فإنها تنتج وميضًا من الضوء يمكن أن تلتقطه أجهزة الكشف الضوئي المبطنة في الجزء السفلي من الخزان.

يتم توجيه الإلكترونات الناتجة عن الحدث إلى الأعلى، وعندما تصل إلى الزينون الغازي، تنتج وميضًا ثانيًا. يمكن لتوقيت وقوة هاتين الومضتين أن يخبرا العلماء بالكثير عن الجسيم المصدر.

لسوء الحظ، تنتج الكثير من الجسيمات الأخرى إشارات مماثلة، وتفعل ذلك في كثير من الأحيان أكثر من المادة المظلمة. على هذا النحو، تم تصميم LZ لتقليل ضوضاء الخلفية.

خط الدفاع الأول هو 1.5 كيلومتر (0.9 ميل) من الصخور المدفونة تحتها التجربة. ثم هناك خزان مياه يحيط بالخزان المليء بالزينون، وأخيرًا كاشف إشعاع يمكنه التعرف على أنواع أخرى من الأحداث.

تعمل هذه الاحتياطات معًا على إبقاء الجسيمات غير المرغوب فيها من الأشعة الكونية أو النشاط الإشعاعي الخلفي إلى الحد الأدنى.

لكن الآن، تمكن الفيزيائيون الذين يبحثون في البيانات التي تم جمعها خلال السنوات القليلة الماضية من التعرف على إشارة مثيرة للاهتمام. في 16 يونيو 2023، اكتشف LZ ومضتين من الضوء بالطاقات المناسبة تمامًا قادمة من جسم WIMP يصطدم بنواة ذرية في خزان الزينون.

بعد اكتشاف المرشح، قضى الباحثون أشهرًا في تحليل البيانات لمعرفة ما إذا كان من الممكن تفسير الحدث بسهولة من خلال عمليات الخلفية المعروفة.

وكانت طاقة الحدث أعلى من أن تكون نيوترونات أو النيوترينوات – ومن الممكن أن تنتج هذه أيضًا تشتتات ذات طاقة أقل، والتي لم يتم اكتشافها.

إذا كان من أشعة غاما طائشة، لكان عليه أن يقطع مسافة طويلة بشكل غير عادي عبر الخزان، أو يتناثر مرة ثانية بطريقة لا تنتج وميضًا آخر، أو يتجنب اكتشافه بواسطة الأدوات الخارجية المصممة لالتقاطه. كل هذه السيناريوهات اعتبرت غير محتملة.

هناك أيضًا احتمال أن تكون الومضتان اللتان شوهدتا ناتجتين عن حدثين غير مرتبطين حدثا أنهما اقتربا من بعضهما البعض في الوقت المناسب. كما وجد تحليل البيانات أن احتمالية ذلك منخفضة جدًا.

بدلًا من ذلك، فإن أفضل ما يناسب البيانات هو أن هذا قد حدث بسبب WIMP، بكتلة تزيد عن 200 جيجا إلكترون فولت.

“الأحداث الشاذة في البيانات ليست غير متوقعة، لكنها عادة ما تبرز كخلفية من نوع ما عندما تنظر إليها بشكل أعمق.” يقول آرون مانالاساي، عالم فيزياء في مختبر بيركلي.

“هذا هو المثال الأول في أي تجربة عملت عليها لشيء متطرف يبدو صالحًا بكل الطرق.

“بالطبع، ما زلنا نلوي أدمغتنا محاولين التفكير فيما إذا كانت هناك آلية خلفية نادرة كان من الممكن أن نغفلها، ولكن من المثير أن نتساءل عما إذا كان هذا قد يكون أول تلميح لمراقبة المادة المظلمة.”

متعلق ب: قد تحتوي المادة المظلمة على سر، وقوة إضافية لا تعمل بالطريقة التي نتوقعها

قبل أن يقوم أي شخص بإخراج الشمبانيا، من المهم أن نتذكر أن هذا الاكتشاف لم يصل بعد إلى المستوى المطلوب. عتبة 5 سيجما ذات أهمية إحصائية للمطالبة باكتشاف جديد في فيزياء الجسيمات. وهذا يعني أن هناك احتمالًا واحدًا تقريبًا من كل 3.5 مليون أن تؤدي تأثيرات الخلفية بشكل عشوائي إلى النتيجة التي تم رؤيتها.

تقع نتيجة LZ الجديدة حاليًا عند أهمية 2.6 سيجما، مما يضع احتمالات الخطأ عند 1 في 200. سنحتاج إلى المزيد من البيانات والمزيد من الاكتشافات قبل أن نكون واثقين من أننا عثرنا على المادة المظلمة.

ومع ذلك، يعد هذا واحدًا من أكثر القرائن إثارةً حتى الآن، والتي تشير إلى أننا قد نكون في الطريق نحو حل واحدة من أكثر الألغاز الكونية إرباكًا على الإطلاق.

لم تتم مراجعة الورقة التي تصف الحدث بعد، ولكن تم تقديمها إلى المجلة رسائل المراجعة البدنية. أ نسخة ما قبل الطباعة متاح على arXiv.