لا شك أن تجربة LUX-ZEPLIN المقامة على عمق 1.5 كيلومتر تحت الأرض في ولاية داكوتا الجنوبية الأمريكية، هي التجربة الأكثر حساسية في العالم للبحث عن المادة المظلمة. ورغم أنها لم تسجل حتى الآن رصدًا مؤكدًا أو إشارات حاسمة لظهور المادة المظلمة، فإنها حققت نتائج مذهلة من خلال وضع أضيق قيود فيزيائية في التاريخ على خصائص جسيمات الـ WIMPs (الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل)، والتي يمكن اعتبارها المرشح الأبرز لربط المادة المظلمة بالمادة العادية.
وفي هذا المقال نلقي الضوء على إشارة LUX-ZEPLIN وظهور أول علامة للمادة المظلمة، ونشرح لك ما هي المادة المظلمة ولماذا يبحث عنها العلماء، وما هي جسيمات WIMPs وما علاقتها بالمادة المظلمة، وما هي الخطوة القادمة لتجربة LUX-ZEPLIN.
ما هي المادة المظلمة ولماذا يبحث عنها العلماء؟
المادة المظلمة هي شكل غامض وغير مرئي من المادة، ويتجسد غموضها في كونها لا تبعث الضوء ولا تعكسه ولا تمتصه، ويستدل على وجود المادة المظلمة فقط عبر تأثير جاذبيتها القوي على النجوم والمجرات.
المادة المظلمة في طبيعتها غير مرئية تمامًا ولا تتفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي، وبالتالي يصبح رصدها صعبًا بأي تلسكوب يعمل بالضوء أو الأشعة السينية أو الراديو. والمدهش أن المادة المرئية العادية التي تتكون من النجوم والكواكب تمثل 5% فقط من الكون، بينما المادة المظلمة تشكل نحو 27% من الكون، والنسبة المتبقية عبارة عن طاقة مظلمة.
لماذا يبحث العلماء عن المادة المظلمة؟
يعتقد العلماء أن المادة المظلمة تعمل كغراء كوني يمسك المجرات بعضها حيث تدوّر النجوم على أطراف المجرات بسرعة فائقة، وكان يُفترض أن تتسبب في طيرانها واستقرارها بعيدًا، وبالتالي يُعد ذلك دليلًا على وجود المادة المظلمة. من ناحية أخرى، فلولا المادة المظلمة لما تجمعت المادة العادية بعد الانفجار العظيم لتشكيل النجوم والمجرات التي نراها اليوم، من وجهة نظر العلماء الذين يؤمنون بنظرية نشأة وتطور الكون.
العديد من العلماء يبحثون عن المادة المظلمة لتحديد طبيعتها، والتي ستكشف عن جسيم أولي جديد وتفتح الباب لفيزياء جديدة تتجاوز النموذج المعياري لفيزياء الجسيمات.
ما هي تجربة LUX-ZEPLIN وما علاقتها بالمادة المظلمة؟
تجربة LUX-ZEPLIN هي أضخم وأشد كاشف فيزياء حساسية، في العالم تم تصميمه خصيصًا للبحث عن المادة المظلمة، وتقع التجربة على عمق 1.5 كيلومتر تحت الأرض في منجم ذهب سابق في ولاية داكوتا الجنوبية الأمريكية، ويمكن تبسيطها كالتالي:
مكونات التجربة وآلية العمل
- الدرع الصخري: يتيح موقع الكاشف تحت الأرض استخدام طبقات الصخور الشاهقة كدرع طبيعي لحجب الإشعاع الكوني الذي يتداخل مع الإشارات الدقيقة.
- قلب الزينون السائل: يحتوي هذا الكاشف على نحو 10 أطنان من عنصر الزينون السائل الفائق النقاء، والذي تبلغ درجة حرارته 100 درجة مئوية تحت الصفر.
- مستشعرات الضوء: مئات الحساسات الضوئية فائقة الدقة تحيط بالزينون لالتقاط أصغر ومضة ضوء أو شحنة كهربائية ناتجة عن تفاعل الجسيمات.
علاقة تجربة LUX-ZEPLIN بالمادة المظلمة
- تعتمد التجربة على فرضية أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات نظرية تعرف بالجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs).
- عندما تعبر إحدى هذه الجسيمات الكاشف، فإنه قد يصطدم بنواة ذرة زينون، وبالتالي ينتج عن الاصطدام ومضتان من الضوء.
- الومضة الأولى هي لحظة الاصطدام المباشر، والثانية بعد تحرك الإلكترونات إلى أعلى الكاشف.
- مع تحليل هاتين الإشارتين يمكن للعلماء تحديد كتلة الجسيم وطبيعتها وتمييزه عن أي طاقة خلفية إشعاعية.
ما النتائج المهمة التي حققتها تجربة LUX-ZEPLIN؟
تُعد التجربة هي الأهم عالميًا في السباق نحو كشف أسرار المادة المظلمة، ويؤكد العلماء أنها حققت سلسلة من الإنجازات الفيزيائية الاستثنائية، ومن أبرزها ما يلي:
- فرض أفضل القيود الفيزيائية: التجربة وضعت أضيق وأدق حدود علمية مقبولة لخصائص الجسيمات المرشحة لتكون المادة المظلمة، كما استبعد الكاشف نطاقًا واسعًا جدًا من الاحتمالات والكتل المفترضة سابقًا.
- رصد أقوى مرشح: سجلت التجربة تحليلًا لبيانات تفاعل جسيم فردي فريد ومرتفع الطاقة ما زال العلماء يعجزون عن تفسيره بوضوح بواسطة الإشعاعات الطبيعية العادية، وهو ما يعد أعظم لمحة وأقوى دلالة تجريبية لجسيم قد تكون كتلته أكبر من كتلة البروتون.
- أعلى مستوى عزل وتصفية للضوضاء: هذه التجربة هي الوحيدة التي نجحت في تحقيق نقاء إشعاعي لكاشف فيزيائي بهذه الدرجة، من خلال عزل الأشعة الكونية وتداخل العناصر المشعة الطبيعية، لدرجة سمحت للكاشف برصد وتحديد النيوترينوات القادمة من الشمس.
- استبعاد النظريات غير الدقيقة: من خلال النتائج الصفرية والدقيقة التي تقدمها التجربة تم استبعاد مئات النماذج الفيزيائية القديمة وإجبار العلماء على صياغة نماذج أكثر دقة لتفاعل المادة المظلمة مع المادة العادية.
- تجميع أضخم قاعدة بيانات عن المادة المظلمة: هذه الكمية الكبيرة التي جمعتها التجربة عن المادة المظلمة عبر التشغيل المستمر تحت الأرض تعد أضخم وأشمل سجل بيانات تفاعلات فيزياء الجسيمات عالية النقاء في العالم.
هل يمكن أن تكون المادة المظلمة متغيرة؟
نعم، يمكن أن تكون المادة المظلمة متغيرة بحسب العديد من النظريات الحديثة في الفيزياء. فهناك من يرى أن افتراض تكون المادة المظلمة من جسيمات ثابتة وغير متفاعلة قد يكون تبسيطًا شديدًا لطبيعتها الحقيقية، وهو ما يمكن أن يكون صحيحًا من خلال آليات رئيسية كالتالي:
- التحول والتحلل عبر الزمن: بعض النماذج تقترح أن جسيمات المادة المظلمة ليست أبدية، وإنما تتفكك بطريقة بطيئة على مدى مليارات السنين إلى جسيمات أخف أو طاقة، وهو ما يعني أن كثافتها تقل عبر الزمن.
- التفاعل الذاتي وتغير التوزيع: رغم وجود من يؤمن بأن المادة المظلمة لا تصطدم ببعضها، يوجد أيضًا من يفترض التفاعل الذاتي وتبادل الجسيمات القوية مع بعضها البعض، وهو ما يغير توزيع المادة المظلمة وكثافتها مع تطور الكون.
- المادة المظلمة الديناميكية: هناك أيضًا نظرية تقول إن المادة المظلمة ليست نوعًا واحدًا من الجسيمات، وإنما هي مجموعة معقدة من الجسيمات والحالات ذات الكتل ومدد العمر المختلفة.
- السلوك الموجي والتذبذب: بافتراض أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات خفيفة للغاية فقد تتصرف كموجات وليس ككرات صلبة، وربما تتذبذب شدتها وتتغير كثافتها كأنها سائل فائق.
- الاقتران بالطاقة المظلمة: من ناحية أخرى تفترض بعض الفرضيات وجود تفاعل بين المادة المظلمة والطاقة المظلمة، وإذا صح ذلك فقد يسبب تغيرًا في كتلة جسيمات المادة المظلمة أو قوة جاذبيتها مع توسع الفضاء.
ما هي الخطوة القادمة في تجربة LUX-ZEPLIN؟
تتضمن الخطوات المستقبلية لتجربة لوكس زبلين عدة مراحل عملية وعلمية تمتد من التشغيل الحالي وحتى المشاريع العملاقة للجيل القادم، والتي يمكن تقسيمها كالتالي:
- استكمال الهدف التشغيلي: تتضمن هذه الخطوة 1000 يوم من البيانات من أجل مواصلة الكاشف عمليًا تحت الأرض لجمع البيانات حتى حلول عام 2028، لحسم طبيعة الأحداث السابقة والتحقق مما إذا كانت الإشارة حقيقية للمادة المظلمة ستزداد قوة أم مجرد ضوضاء إحصائية عشوائية.
- تطوير تقنيات خفض الضوضاء: يعمل العلماء على تطوير أنظمة جديدة لتصفية نواتج تحلل غاز الرادون المشعة حول الزينون السائل لخفض الضوضاء، بالإضافة إلى تحسين خوارزميات تحليل الإشارات الضوئية والكهربائية لرصد الجسيمات ذات الكتل الصغيرة جدًا.
- توسيع نطاق البحث العلمي: لا يقتصر الأمر على البحث عن جسيمات المادة المظلمة، وإنما يتضمن رصد تفاعلات النيوترينوات القادمة من الشمس، والبحث عن جسيمات افتراضية أخرى مثل الأكسونات والفتونات المظلمة، ودراسة ظواهر فيزيائية مثل تحلل بيتا المزدوج الخالي من النيوترينو.
- الانتقال إلى مشروع المرصد العملاق: كانت إدارة التجربة قد كادت أن تتفق مع التجارب المنافسة الكبرى على بناء كاشف موحد من الجيل الثالث يعرف باسم XLZD مع الاعتماد على خزان ضخم يحتوي على 80 طنًا من الزينون السائل لرفع الحساسية بعشرة أضعاف وتقديم إجابات قاطعة حول وجود المادة المظلمة.
المادة المظلمة و2.6 سيجما: لماذا لا يسمي العلماء الإشارة اكتشافًا؟
حتى الآن، لا يصنف العلماء الإشارات ذات المستوى 2.6 سيجما اكتشافًا، لأنها قد تكون مجرد تذبذب إحصائي عشوائي أو ضوضاء في البيانات، وبالتالي قد لا تفي بالمعايير الصارمة لفيزياء الجسيمات.
يثق العلماء أكثر في الإشارات ذات المستوى 3.0 سيجما، ويتم تصنيفها رسميًا كدليل تقل فيه احتمالية الصدفة إلى 1 من كل 370. أما الإشارات التي تصل إلى 5.0 سيجما، فسيتم اعتبارها اكتشافًا مؤكدًا ورسميًا، وهي الشرط الصارم للإعلان عن أي اكتشاف فيزيائي جديد، حيث تقل نسبة الخطأ عن 1 من كل 3.5 مليون.
يعتبر العلماء أن احتمالية الخطأ العالية بنسبة 1% مخاطرة كبيرة للإعلان عن أي حدث بوزن اكتشاف المادة المظلمة. وكما حدث مرات عديدة على مدار التاريخ، تم اكتشاف جسيمات ظهرت فيها إشارات عند مستوى 2.6 ثم تراجعت واختفت تمامًا مع جمع المزيد من البيانات عبر الوقت.
الأمر الآخر هو أن العناصر المشعة الطبيعية أو الإشعاعات الكونية الثانوية قد تؤدي إلى ظهور ومضات أحيانًا تبدو ظاهريًا كاصطدام للمادة المظلمة، وهو ما يستدعي مراقبة أطول لتصفيتها.
في الختام، يمثل مشروع LUX-ZEPLIN قفزة استثنائية في سعي البشرية لفك أعقد أسرار الكون، حيث يُقرّبنا كل قياس فيزيائي جديد خطوة إضافية نحو فهم المادة المظلمة وطبيعة النسيج الكوني. ورغم أن صرامة المنهج العلمي تمنع إعلان الاكتشاف النهائي قبل بلوغ المعايير التأكيدية المطلوبة، فإن الأعوام القادمة تعدنا بإجابات قاطعة قد تعيد رسم خريطة الفيزياء الحديثة بأسرتها.
شاركونا آراءكم وانطباعاتكم حول هذه الاكتشافات الفيزيائية المذهلة في خانة التعليقات، ولا تنسوا مشاركة المقال عبر وسائل التواصل الاجتماعي لتصل الفائدة إلى جميع شغوفي العلوم والفلك.
يجب عليك تسجيل الدخول أولاً لإضافة تعليق.