عنقود المجرات، على اليسار، حلقة مرئية من المادة المظلمة، على اليمين. مصدر الصورة: NASA، ESA، MJ Jee وH. Ford (جامعة جونز هوبكنز)

تتقدم دراسات المادة المظلمة باستخدام تقنيات تجريبية جديدة مصممة لاكتشاف المحاور العصبية، وتطوير التكنولوجيا وتحقيق التعاون متعدد التخصصات لكشف أسرار هذا المكون المراوغ من الكون.

شيطان يطارد عالمنا. لقد كان معروفًا في علم الفلك وعلم الكونيات منذ عقود. الملاحظات أوصي به حوالي 85% كل الأشياء في الكون غامضة وغير مرئية. وتنعكس هاتان الصفتان في اسمها: المادة المظلمة.

العديد من الاختبارات إنهم يهدفون إلى الكشف عن المادة التي تتكون منها هذه المادة، ولكن على الرغم من عقود من البحث، إلا أن العلماء لم يتوصلوا إلى نتيجة. الآن اختبارنا الجديدتحت التشيد جامعة ييل وفي الولايات المتحدة، يتم تقديم استراتيجية جديدة.

المادة المظلمة موجودة منذ فجر الكون. يجمع النجوم والأبراج معًا. فهو غير مرئي ودقيق، ولا يبدو أنه يتفاعل مع الضوء أو أي شكل آخر من أشكال المادة. في الواقع، ينبغي أن تكون جديدة تماما.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات غير مكتمل، وهذه مشكلة. نحن بحاجة إلى العثور على شيء جديد الجسيمات الأساسية. ومن المثير للدهشة أن العيوب نفسها في النموذج القياسي تعطي أدلة لا تقدر بثمن حول المكان الذي يمكن أن تكون مخفية.

مشكلة النيوترونات

على سبيل المثال، لنأخذ النيوترون. ويشكل نواة مع بروتون. على الرغم من أنها محايدة ككل، إلا أن النظرية تنص على أنها تتكون من ثلاثة جسيمات مشحونة تسمى الكواركات. ولهذا السبب، نتوقع أن تكون بعض أجزاء النيوترون مشحونة بشكل إيجابي وأجزاء أخرى سالبة – مما يشير إلى ما يسميه الفيزيائيون عزم ثنائي القطب الكهربائي.

ما زال، محاولات عديدة وقد أدى قياسه إلى نفس النتيجة: إنه صغير جدًا بحيث لا يمكن اكتشافه. شبح آخر. نحن لا نتحدث عن عيوب الأدوات، ولكن المعلمة التي يجب أن تكون أصغر من جزء من عشرة مليارات. إنه صغير جدًا لدرجة أن الناس يتساءلون عما إذا كان يمكن أن يكون صفرًا.

ومع ذلك، في الفيزياء، الصفر الرياضي دائمًا هو ادعاء قوي. في أواخر السبعينيات، حاول علماء فيزياء الجسيمات روبرتو بيسي وهيلين كوين (ولاحقًا فرانك فيلتشيك وستيفن واينبرج). إفساح المجال للنظرية والأدلة.

واقترحوا أن المعلمة ربما ليست صفراً. وبدلاً من ذلك، فهي كمية ديناميكية تفقد شحنتها ببطء، وتصل إلى الصفر. .الانفجار العظيم. تظهر الحسابات النظرية أنه إذا حدث مثل هذا الحدث، فيجب أن يترك وراءه عددًا كبيرًا من الجسيمات الضوئية غير المرئية.

وقد أطلق عليها اسم “الإجراءات” على اسم العلامة التجارية للمنظفات لأنها يمكن أن “تقتل” مشكلة النيوترونات. إضافي. إذا تم إنشاء القوالب في بداية الكون، فهي موجودة منذ ذلك الحين. والأهم من ذلك، أن خصائصها تحقق جميع العناصر المتوقعة للمادة المظلمة. ولهذه الأسباب أصبحت المحاور واحدة الجسيمات المرشحة المفضلة للمادة المظلمة.

تتفاعل المحاور بشكل ضعيف فقط مع الجسيمات الأخرى. ومع ذلك، فهذا يعني أنهم سوف يتواصلون أكثر قليلاً. ويمكن للمحاور غير المرئية أن تتحول إلى جسيمات عادية، بما في ذلك – للمفارقة – الفوتونات، جوهر الضوء. يمكن أن يحدث هذا في ظل ظروف معينة، كما هو الحال في وجود مجال مغناطيسي. وهذه نعمة للفيزيائيين التجريبيين.

تصميم تجريبي

العديد من الاختبارات حاول استحضار وحوش الحركة في بيئة مختبرية خاضعة للرقابة. يهدف البعض إلى تحويل الضوء إلى مطبوعات.

حاليًا، النهج الأكثر حساسية هو استهداف هالة المادة المظلمة التي تخترق المجرة (وبالتالي الأرض) بجهاز يسمى الهالوسكوب. وهو عبارة عن تجويف موصل مغمور في مجال مغناطيسي قوي. الأول يلتقط المادة المظلمة من حولنا (دعنا نقول أنها محاور عصبية)، في حين أن الأخير يحفز تحولها إلى ضوء. ونتيجة لذلك، تظهر إشارة كهرومغناطيسية داخل التجويف، تتأرجح بتردد مميز يعتمد على الكتلة المحورية.

يعمل الكمبيوتر كراديو استقبال. ويجب ضبطه بشكل صحيح لاعتراض التردد الذي يهمنا. ومن الناحية العملية، يتم تغيير أبعاد التجويف لاستيعاب الترددات المميزة المختلفة. إذا كانت ترددات المحور والتجويف غير متطابقة، فهذا يشبه ضبط الراديو على القناة الخاطئة.

تم نقل المغناطيس القوي إلى مختبر في جامعة ييل. الائتمان: جامعة ييل

لسوء الحظ، لا يمكننا التنبؤ بالقناة التي نبحث عنها مسبقًا. لا يوجد خيار سوى مسح جميع الترددات الممكنة. مع الراديو القديم الذي كان يجب أن يصبح أكبر أو أصغر في كل مرة تقوم فيها بتشغيل مقبض التردد، كان الأمر مثل التقاط محطة راديو في بحر من الضوضاء البيضاء – إبرة في كومة قش.

ومع ذلك، فهذه ليست التحديات الوحيدة. كما يشير علم الكونيات عشرة جيجا هرتز أحدث الحدود الواعدة للبحث في الطباعة. ونظرًا لأن الترددات الأعلى تتطلب تجاويف أصغر، فإن استكشاف تلك المنطقة سيتطلب تجاويف أصغر بكثير لالتقاط إشارة ذات معنى.

تجارب جديدة تحاول إيجاد بدائل. ملكنا تجربة العمل بالمنظار البلازما الطولي (ألفا). يستخدم مفهومًا جديدًا بشكل أساسي للتجويف المواد الفوقية.

المواد الخارقة هي مواد مركبة ذات خصائص عالمية تختلف عن مكوناتها، فهي أكبر من مجموع أجزائها. يكتسب التجويف المملوء بقضبان موصلة ترددًا مميزًا كما لو كان أصغر بمليون مرة، دون أن يتغير حجمه. هذا هو ما نحتاجه. بالإضافة إلى ذلك، توفر الأعمدة نظام ضبط مدمج وقابل للتعديل بسهولة.

ونحن نعمل حاليًا على بناء النظام، والذي سيكون جاهزًا لتلقي البيانات في غضون سنوات قليلة. التكنولوجيا واعدة. وكان تطويره نتيجة للتعاون بين فيزيائيي الحالة الصلبة، ومهندسي الكهرباء، وفيزيائيي الجسيمات، وعلماء الرياضيات.

على الرغم من كونها بعيدة المنال، إلا أن المطبوعات تثير التقدم الذي لا يستطيع أي شبح أن يخطفه.

بقلم أندريا جالو روسو، زميل ما بعد الدكتوراه في الفيزياء بجامعة ستوكهولم.

مقتبس من مقالة منشورة أصلا محادثة.