نهج بسيط للبحث عن المادة المظلمة

على وجه الخصوص ، يستخدم فريق أنتيباس تجربتهم للبحث عن فئة من المادة المظلمة تعرف باسم المادة المظلمة الخفيفة للغاية. في أثقل جسيمات المادة المظلمة للغاية ، لا تزال أخف من الإلكترون بحوالي تريليون مرة. بالنسبة لميكانيكا الكم ، فإن كل مادة لها صفات تشبه الجسيمات وتشبه الموجة ، حيث تحتوي الأجسام الأكبر عادةً على المزيد من الصفات الشبيهة بالجسيمات ، بينما تحتوي الأجسام الأصغر على صفات تشبه الموجة. تقول الفيزيائية كاثرين زوريك من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، والتي لم تشارك في التجربة: “عندما يتحدث الناس عن المادة المظلمة شديدة الخفة ، فإن ما يقصدونه هو أن المادة المظلمة أشبه بالموجة”.

مثل كل تجارب المادة المظلمة الأخرى حتى الآن ، لم يعثر بحث أنتيباس على أي شيء. ومع ذلك ، فإن عدم وجود اكتشاف يساعد في تقييد خصائص المادة المظلمة ، حيث تُظهر التجربة ماهية المادة المظلمة. بالإضافة إلى ذلك ، يعتبر نهج الفريق مميزًا مقارنة بتجارب المادة المظلمة المعروفة ، والتي تبحث عن الجسيمات المعروفة باسم WIMPs (وهي جسيمات ضخمة ضعيفة التفاعل). تتضمن هذه التجارب عادةً تعاونًا من 100 عالم أو أكثر ، ولأجهزة الكشف متطلبات هندسية كبيرة. على سبيل المثال ، يحتوي كاشف LZ في ولاية ساوث داكوتا على 7 أطنان من الزينون السائل ، وهو عنصر نادر موجود في الغلاف الجوي بأقل من جزء واحد لكل 10 مليون. لحماية أجهزة الكشف من الإشعاع غير المرغوب فيه ، يضعها الفيزيائيون في مختبرات في أعماق الجبال أو تحت الأرض في مناجم سابقة.

في المقابل ، فإن تجربة Antypas بأكملها تناسب سطح الطاولة ، وكان تعاونه يتألف من 11 عالمًا. كان البحث عن المادة المظلمة في الواقع مشروعًا جانبيًا لمختبره. وعادة ما يستخدمون المعدات لدراسة القوة النووية الضعيفة في الذرات ، المسؤولة عن الاضمحلال الإشعاعي. يقول أنتيباس: “كان هذا أمرًا سريعًا ومثيرًا للاهتمام بالنسبة لنا”. “نحن نستخدم هذه الأساليب لتطبيقات أخرى.” مقارنةً بكواشف WIMP ، فإن تجارب الأجهزة اللوحية بسيطة وفعالة من حيث التكلفة ، كما يقول Gehrlein.

على مدار العقد الماضي أو نحو ذلك ، أصبحت هذه الأساليب اللوحية شائعة في عمليات البحث عن المادة المظلمة ، كما يقول زوريك. بحث الفيزيائيون ، الذين طوروا لأول مرة أدوات وأشعة ليزر فائقة الدقة لدراسة والتحكم في الذرات والجزيئات المفردة ، عن المزيد من الطرق لاستخدام أجهزتهم الجديدة. يقول زوريك: “انتقل المزيد من الأشخاص إلى هذا المجال ، ليس باعتباره تخصصهم الأساسي ، ولكن كطريقة لإيجاد تطبيقات إبداعية جديدة لقياساتهم”. “يمكنهم إعادة توظيف تجاربهم للبحث عن المادة المظلمة.”

في أحد الأمثلة البارزة ، علماء الفيزياء إعادة صياغة الساعات الذرية للبحث عن المادة المظلمة بدلاً من حفظ الوقت. تعتمد هذه الآلات الدقيقة ، التي لا تفقد أو تكتسب ثانية على مدى ملايين السنين ، على مستويات طاقة الذرات ، والتي يتم تحديدها من خلال التفاعلات بين نواتها والإلكترونات التي تعتمد على الثوابت الأساسية. على غرار تجربة Antypas ، بحث هؤلاء الباحثون عن المادة المظلمة عن طريق قياس مستويات طاقة الذرات بدقة ، للبحث عن التغييرات في قيم الثوابت الأساسية. (لم يعثروا على أي شيء).

لكن هذه التجارب البسيطة نسبيًا لن تحل محل المزيد من تجارب المادة المظلمة التقليدية ، لأن النوعين حساسان لأنواع وكتل افتراضية مختلفة من المادة المظلمة. لقد افترض المنظرون مجموعة متنوعة من جسيمات المادة المظلمة التي تتراوح كتلتها أكثر من 75 مرتبة من حيث الحجم ، كما يقول غيرلين. في الضوء الأخف ، يمكن أن تكون الجسيمات أخف بأكثر من كوادريليون مرة من المادة المظلمة الخفيفة جدًا التي يبحث عنها Antipas. إن أثقل المادة المظلمة المرشحة هي في الواقع أجسام فيزيائية فلكية كبيرة مثل الثقوب السوداء.

لسوء الحظ بالنسبة للفيزيائيين ، لم تقدم تجاربهم أي تلميحات تجعل نطاقًا جماعيًا واحدًا أكثر احتمالية من غيره. يقول غيرلين: “هذا يخبرنا أن علينا أن ننظر في كل مكان”. مع عدد قليل جدًا من الخيوط ، يحتاج صائدو المادة المظلمة إلى كل التعزيزات التي يمكنهم الحصول عليها.