صيادون المادة المظلمة يبحثون داخل الصخور بحثا عن أدلة جديدة


في ما يقرب من اثنين عشرات المختبرات تحت الأرض منتشرة في جميع أنحاء الأرض ، وذلك باستخدام أحواض سائلة أو كتل من المعادن وأشباه الموصلات ، العلماء يبحثون عن أدلة على المادة المظلمة. أصبحت تجاربهم أكثر تعقيدا ، ويزداد البحث دقة ، ولكن بصرف النظر عن إشارة متنازع عليها قادمة من مختبر في إيطاليا ، لم يعثر أحد على دليل مباشر على المادة الغامضة التي يعتقد أنها تشكل 84 بالمائة من المادة. في الكون.

تشير دراسة جديدة إلى أننا يجب أن ننظر أعمق.

مجلة كوانتا


صورة المؤلف

حول

تم إعادة طبع القصة الأصلية بإذن من مجلة كوانتا ، وهي مجلة مستقلة تحريريا لمؤسسة سيمونز التي تتمثل مهمتها في تعزيز فهم الجمهور للعلم من خلال تغطية التطورات البحثية والاتجاهات في الرياضيات والعلوم الفيزيائية والحياة.

المادة المظلمة تختلف عن المادة العادية والباريونية – وهي المواد التي تصنع النجوم والمجرات والكلاب والبشر وكل شيء آخر – من حيث أنها لا تتفاعل مع أي شيء إلا من خلال الجاذبية (وربما القوة النووية الضعيفة). لا يمكننا رؤيتها ، لكن علماء الفيزياء جميعهم متأكدون من وجودها ، وهم يقومون بنحت المجرات ومساراتها عبر الكون.

لعقود عديدة ، كان المرشحون المفضّلون لجسيمات المادة المظلمة أشياء خجولة افتراضية تسمى جسيمات ضخمة ضعيفة التفاعل ، أو WIMPs. تبحث العديد من التجارب عنهم من خلال البحث عن دليل على أن WIMP قد حان وطرق المواد العادية حولها. في هذا السيناريو ، سيقوم WIMP بالنقر فوق نواة ذرية عبر القوة الضعيفة. بعد ذلك ، ستنسى النواة المذهلة وتنبعث منها بعض أشكال الطاقة ، مثل وميض الضوء أو الموجة الصوتية. إن اكتشاف مثل هذه الظواهر الملموسة بالكاد يتطلب أدوات حساسة ، عادة ما تكون مدفونة في أعماق الأرض. هذا هو في الغالب حتى يتم حماية الأدوات من الأشعة الكونية الضالعة ، والتي يمكن أن تسبب أيضا نكهات النواة.

بعد البحث عن هذه الأصوات الباهتة لعقود ، لا يتوفر للعلماء سوى القليل من الأدلة لإظهارها. أصبح لدى فريق من الفيزيائيين في بولندا والسويد والولايات المتحدة فكرة أخرى. لا تنظر إلى الجرمانيوم والزينون والتلألؤات في أجهزة الكشف المدفونة تحت قشرة الأرض ، يجادلون: انظر إلى قشرة الأرض نفسها. في السجل الصخري ، حيث تم دفن قصص الماضي في نظامنا الشمسي ، قد نجد الارتداد الأحفوري للأنوية الذرية المفزعة ، آثار الأقدام المجمدة لـ WIMP.

وقالت كاثرين فريز ، عالمة الفيزياء النظرية في جامعة ميتشيغان ، وهي مهندسة الأفكار وراء بعض أجهزة الكشف الموجودة في العملية: "نحن دائمًا نستمر في البحث عن طرق بديلة للقيام بالأشياء".

طورت كاثرين فريسي عددًا من الأفكار للكشف عن المادة المظلمة. لقد تحولت بعض أفكارها إلى تجارب.

وقالت فريز وزملاؤها إن كاشف الباليو الجوفي سيعمل بطريقة مشابهة لطرق الكشف المباشر الحالية. وبدلاً من ذلك ، من خلال تجهيز مختبر بحجم كبير من السوائل أو المعدن لمراقبة نواتج WIMP في الوقت الحقيقي ، سيبحثون عن آثار أحفورية لـ WIMPs ترقص في النوى الذرية. كما نكص نكهة ، فإنها تترك آثار الضرر في بعض فئات المعادن.
إذا كانت النواة تفسد بقوة كافية ، وإذا تم دفن الذرات التي تشوش في أعماق الأرض (لحماية عينة من الأشعة الكونية التي يمكن أن تعكر البيانات) ، عندئذ يمكن الحفاظ على مسار الارتداد. إذا كان الأمر كذلك ، فقد يتمكن الباحثون من حفر الصخور ، وتقليل طبقات الوقت ، واستكشاف الحدث الذي طال أمده باستخدام تقنيات تصوير متناهية الصغر مثل الفحص المجهري للقوة الذرية. وستكون النتيجة النهائية مسارًا أحفوريًا: المادة المظلمة نظيرًا لإيجاد أثر لصاروخور عندما فرت من حيوان مفترس.

صنابير صغيرة

منذ حوالي خمس سنوات ، بدأ فريز في طرح أفكار لأنواع جديدة من الكاشفات مع أندريه دروكير ، عالم الفيزياء في جامعة ستوكهولم الذي بدأ مسيرته المهنية في دراسة الكشف عن المادة المظلمة قبل الانتقال إلى الفيزياء الحيوية. واحدة من أفكارهم ، وضعت مع عالم الأحياء جورج الكنيسة ، شاركت في الكشف عن المواد المظلمة على أساس الحمض النووي وردود الفعل الانزيم.

في عام 2015 ، سافرت دروكير إلى نوفوسيبيرسك ، روسيا ، للعمل على نموذج جهاز كشف بيولوجي يتم وضعه تحت سطح الأرض. في روسيا ، علم بآبار تم حفرها خلال الحرب الباردة ، بعضها يصل إلى 12 كم أسفل. لا يمكن للأشعة الكونية اختراق هذا الحد. كان Drukier مفتون.

أجهزة الكشف عن المادة المظلمة عادة ما تكون كبيرة نسبيا وحساسة للغاية للأحداث المفاجئة. يجرون عمليات البحث على مدى عدة سنوات ، ولكن في معظم الأحيان يبحثون عن حنفيات WIMP في الوقت الفعلي. يمكن أن تمثل المعادن ، على الرغم من صغر حجمها وأقل حساسية لتفاعلات WIMP ، بحثًا يستمر لمئات الملايين من السنين.

وقال دروكير: "هذه القطع من الصخور ، التي تم إزالتها من النوى العميقة للغاية ، هي في الواقع مليار سنة". "أعمق تذهب ، وكبار السن هو. لذلك فجأة لا تحتاج إلى بناء جهاز كشف. لديك كاشف ، في الأرض ".

الأرض تطرح مشاكلها الخاصة. الكوكب مليء باليورانيوم المشع ، الذي ينتج نيوترونات كما يتحلل. يمكن لهذه النيوترونات أيضا أن تطرق نواة حولها. وقال فريز إن الورقة الأولية للفريق التي تصف أجهزة كشف الباليو لا تفسر الضوضاء التي يسببها تسوس اليورانيوم ، لكن عددًا كبيرًا من التعليقات من علماء آخرين مهتمين جعلهم يعودون وينقحون. قضى الفريق شهرين في دراسة آلاف المعادن لفهم أيهما معزول عن تسوس اليورانيوم. إنهم يجادلون بأن أفضل أجهزة كشف الباليو ستتكون من تبخرات بحرية – أساسًا ، ملح صخري – أو في صخور تحتوي على القليل جدًا من السيليكا ، والتي تسمى الصخور ultrabasic. بالإضافة إلى ذلك ، فإنهم يبحثون عن المعادن التي تحتوي على الكثير من الهيدروجين ، حيث أن الهيدروجين يعمل بفعالية على منع النيوترونات التي تأتي من تسوس اليورانيوم.

الهاليت ، المعروف أكثر باسم الملح الصخري ، هو صخرة فوق الطية يمكن استخدامها ككاشف للمادة المظلمة.

يقول تريسي سلاتير ، الفيزيائي النظري في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذي لم يشارك في البحث ، إن البحث عن نكهات الأحافير قد يكون طريقة جيدة للبحث عن وحدات WIMP منخفضة الكتل.

"أنت تبحث عن نواة القفز لسبب لا يبدو ، ولكن يجب أن تقفز بمقدار معين لكي تراه. إذا كنت أرتدي كرة بينغ بونغ من كرة البولينج ، فلن نرى كرة البولينج تتحرك كثيرًا – أو من الأفضل لك أن تكتشف تغيرات بسيطة في حركة كرة البولينج الخاصة بك. . "هذه طريقة جديدة للقيام بذلك."

التجربة الأكثر صعوبة

العمل الميداني لن يكون سهلاً. يجب إجراء البحوث في أعماق الأرض ، حيث ستتم حماية العينات الأساسية من الإشعاع الكوني والشمسي. وسيتطلب الأمر إجراء تصوير متطور للنانو من أجل التوصل إلى دليل على وجود النواة.
وقال سلاتير إنه حتى إذا تركت WIMP ندبة يمكن ملاحظتها ، فإن الشاغل الرئيسي لكاشفات الباليو سيكون ضمان أن مسارات الحفريات تأتي بالفعل من جسيمات المادة المظلمة. وقالت إن الباحثين سيضطرون إلى قضاء الكثير من الوقت في إقناع أنفسهم بأن النتوءات ليست من عمل النيوترونات أو النيوترونات من الشمس أو أي شيء آخر.

وقالت: "إنهم يصنعون حالة جيدة تمكنهم من الذهاب إلى أبعد الحدود من الأشعة الكونية ، لكن هذا ليس نظامًا خاضعًا للرقابة. هذا ليس مختبر. قد لا تعرف تاريخ هذه الرواسب الصخرية بشكل جيد للغاية. حتى لو طالبت بإشارة منك ، سيتعين عليك القيام بالكثير من العمل حتى تكون مقتنعًا حقاً بأنك لم تكن ترى نوعًا من الخلفية ".

وقال كل من دروكير وفريسي إن قوة مكشاف الباليو قد تكمن في الأرقام. صخرة تحتوي على العديد من المعادن ، كل منها يحتوي على نوى ذرية يمكن أن تتراجع من WIMP المغيرة بطرق مختلفة. ومن ثم ، فإن عناصر مختلفة ستستخدم ككاشفات مختلفة ، وكلها ملفوفة في عينة أساسية واحدة. وقال فريسي إن هذا سيسمح للتجريبيين بمشاهدة مجموعة من النتوءات التي تدعم أدلةهم ومن المحتمل أن تسمح لهم بالتوصل إلى استنتاجات حول كتلة WIMP. في المستقبل ، يمكن للكاشف القديم أن يوفر حتى سجل WIMP مع مرور الوقت ، تماما كما يسمح السجل الأحفوري لعلماء الأحافير بإعادة بناء تاريخ الحياة على الأرض.

بالنسبة لسلاتير ، فإن السجل الطويل يمكن أن يقدم تحقيقا فريدا عن هالة المادة المظلمة في درب التبانة ، وهي سحابة من المادة غير المرئية التي تسبح الأرض خلالها بينما يجعل النظام الشمسي مداره الذي يبلغ 250 مليون سنة حول مركز المجرة. وقال سلاتير إن فهم كيفية توزيع المادة السوداء في درب التبانة يمكن أن يوفر نظرة ثاقبة على سلوكها الجسدي. وقد يثبت حتى ما إذا كانت المادة المظلمة تتفاعل مع نفسها بطرق تتجاوز الجاذبية.

"هذا هو المكان الذي لا تزال النظرية والنمذجة في تطور نشط للغاية" ، قالت.

هذا لا يزال بعيدا عن الواقع ، ولكن. يقول فريسي ودروكيير إنه يجب على جهاز الكشف القديم أن يثبت أنه قادر على العثور على مسارات الارتداد التي خلفتها الجسيمات المعروفة مثل النيوترونات الشمسية. ثم يجب أن يثبتوا أنهم يستطيعون عزل مسارات WIMP من هذه الارتدادات العادية.

"إنه تغيير كبير في المنظور" ، قال دروكير. "هل سنجد المادة المظلمة؟ لقد أمضيت 35 سنة أبحث عنها. ربما تكون هذه هي التجربة الأكثر صعوبة في العالم ، لذا قد لا نكون محظوظين. لكن هذا رائع.

تم إعادة طبع القصة الأصلية بإذن من مجلة كوانتا ، وهي مجلة مستقلة تحريريا لمؤسسة سيمونز التي تتمثل مهمتها في تعزيز فهم الجمهور للعلم من خلال تغطية التطورات البحثية والاتجاهات في الرياضيات والعلوم الفيزيائية والحياة.


المزيد من القصص العظيمة