يصور هذا الرسم التوضيحي جسيم المادة المظلمة. حاول العلماء في مختبر أوك ريدج الوطني مراقبة هذه الجسيمات المراوغة باستخدام كاشفات النيوترينو في زقاق النيوترينو.
حاول العلماء في مختبر أوك ريدج الوطني مراقبة المادة المظلمة في ممر مضاء بشكل ساطع تحت الأرض باستخدام حساسية أجهزة كشف النيوترينو الخاصة بهم. يقع Neutrino Alley ، حيث يعمل الفريق ، أسفل مصدر Spallation Neutron ، وهو مسرع جسيمات قوي. بعد سنوات من الحسابات النظرية ، شرع فريق COHERENT في مراقبة المادة المظلمة ، والتي من شأنها أن تمثل ما يصل إلى 85٪ من كتلة الكون. سمحت التجربة للفريق بتوسيع البحث العالمي عن المادة المظلمة بطريقة جديدة ، ويخططون لتلقي كاشف أكبر وأكثر حساسية لتحسين فرصهم في التقاط جسيمات المادة المظلمة.
القليل من الأشياء تحمل نفس هالة الغموض مثل المادة المظلمة. الاسم نفسه يشع السرية ، مما يوحي بشيء كامن في ظلال الكون.
دعا فريق تعاوني من العلماء ثابتالتي حاولت كيت شولبيرج ، الأستاذة الفخرية للفيزياء في الآداب والعلوم ، وفيليب باربو ، الأستاذ المساعد في الفيزياء ، والباحث ما بعد الدكتوراه دانييل بيرشي ، إخراج المادة المظلمة من ظل الكون وتوجيهها نحو وجهة أقل بريقًا: ، ممر ضيق في قبو.
ليس قبو عادي ، رغم ذلك. من خلال العمل في منطقة من مختبر أوك ريدج الوطني المسمى Neutrino Alley ، يركز الفريق عادةً على الجسيمات دون الذرية التي تسمى النيوترينوات. يتم إنتاجها عندما تموت النجوم وتصبح مستعرات أعظم أو ، على مستوى عادي ، كمنتج ثانوي لتصادم البروتونات في مسرعات الجسيمات.
المادة المظلمة ، المادة غير المرئية التي تشكل 85٪ من المادة في الكون ، ليست مخفية فقط بين المجرات. يحاول فريق من العلماء إخراجها من الظل. الائتمان: الأشعة السينية: NASA / CXO / Fabian et al. ؛ الراديو: Gendron-Marsolais et al. ؛ بصريات NRAO / AUI / NSF: NASA ، SDSS
ليس من قبيل المصادفة أن يقع Neutrino Alley مباشرة أسفل أحد أقوى مسرعات الجسيمات في العالم ، وهو Oak Ridge’s مصدر التشظي النيوتروني (SNS). Neutrino Alley هي موطن لمجموعة من أجهزة الكشف المصممة خصيصًا لمراقبة النيوترينوات أثناء مرورها وتصادمها معها.
ومع ذلك ، فإن النيوترينوات ليست المنتج الثانوي الوحيد لعمليات SNS. المادة المظلمة (يجب عدم الخلط بينها وبين المادة المضادة المفضلة لأشرار الفيلم) يتم إنتاجها أيضًا عندما تقوم مسرعات الجسيمات بتحطيم البروتونات معًا. بعد سنوات من الحسابات النظرية ، انطلق فريق COHERENT للاستفادة من قوة SNS وحساسية كاشفات النيوترينو الخاصة بها لمراقبة المادة المظلمة في Neutrino Alley.
قال شولبيرج: “ولم نر ذلك”. “بالطبع ، لو رأينا ذلك ، لكان الأمر أكثر إثارة ، لكن عدم رؤيته هو في الواقع مشكلة كبيرة.”
وأوضحت أن حقيقة أن المادة المظلمة لم يتم رصدها بواسطة أجهزة كشف النيوترينو الخاصة بها تسمح لها بتحسين النماذج النظرية بشكل كبير لما تبدو عليه المادة المظلمة.
“نحن نعرف بالضبط كيف سيتفاعل الكاشف مع المادة المظلمة إذا كانت المادة المظلمة لها خصائص معينة ، لذلك كنا نبحث عن تلك البصمة المحددة.”
كيت شولبيرج ، مؤلف مشارك غرايسون ريتش وفيليب باربو. الائتمان: جامعة لونغ لي / ديوك
بصمة الإصبع المعنية هي الطريقة التي ترتد بها نوى الذرات في كاشف النيوترينو عندما تصطدم بالنيوترينو ، أو في هذه الحالة ، جسيم المادة المظلمة.
قال بيرشي: “الأمر أشبه بإلقاء مقذوفات على كرة بولينج على لوح من الجليد”. كرات البولينج ، في تشبيهه ، هي الذرات الموجودة في كاشف النيوترينو – والذي كان في هذه التجربة عبارة عن بلورة يوديد السيزيوم بوزن 30 باوندًا. “يمكنك أن تخبر الكثير عن القذيفة ومدى صعوبة قذفها بسبب ارتداد كرة البولينج عند ملامستها.”
عندما يتعلق الأمر بالمادة المظلمة ، فإن كل المعلومات هي معلومات جيدة. لا أحد يعرف ما هو حقا. منذ ما يقرب من 100 عام ، أدرك الفيزيائيون أن الكون لا يمكن أن يتصرف بالطريقة التي كان يتصرف بها إذا احتوى فقط على ما يمكننا رؤيته.
قال جيسون نيوباي ، رئيس مجموعة أبحاث النيوترينو في مختبر أوك ريدج الوطني والمؤلف المشارك للدراسة: “إننا نسبح في بحر من المادة المظلمة”. إجماع علماء الفيزياء على أن المادة المظلمة تشكل 85٪ من كتلة الكون. يجب أن يخضع للجاذبية لشرح سلوك الكون ، لكنه لا يتفاعل مع أي نوع من الضوء أو الموجات الكهرومغناطيسية ، تظهر مظلمة.
يحمل جيسون نيوباي والمؤلف المشارك يوري إفريمينكو كاشف نيوترينو يوديد السيزيوم الصغير الرائع الذي يبلغ وزنه 30 رطلاً والمستخدم للبحث عن المادة المظلمة في Neutrino Alley. الائتمان: جينيفيف مارتن / مختبر أوك ريدج الوطني ، وزارة الطاقة الأمريكية
قال بيرشي: “لقد تعلمنا ذلك من خلال مشاهدة المجرات الكبيرة تدور حول بعضها البعض ، ورأينا أنها تدور أسرع بكثير مما ينبغي ، مما يعني أن لديها كتلة أكبر مما تبدو عليه.” “لذلك نحن نعلم أن هناك أشياء إضافية هناك ، نحتاج فقط إلى معرفة مكان البحث عنها.”
قال نيوبي: “على الرغم من أننا في عالم معظم النتائج ، فمن المهم حقًا أن تنظر أينما كان ، وبعد ذلك يمكنك استبعاد الكثير من الاحتمالات والتركيز على منطقة جديدة. باستخدام إستراتيجية ، بدلاً من مجرد استخدام أسلوب “السباغيتي على الحائط”.
دانيال بيرشي. الائتمان: جامعة ديوك
قال شولبيرج: “إننا نوسع نطاق وصولنا إلى أنماط المادة المظلمة التي قد تكون موجودة ، وهذا أمر قوي للغاية”.
وتشير إلى أن هذا العمل الفذ لا يتوقف عند هذا الحد: فقد سمحت التجربة أيضًا للفريق بتوسيع البحث العالمي عن المادة المظلمة بطريقة جديدة.
قال بيرشي: “تقنية الكشف النموذجية هي الذهاب تحت الأرض ، وبناء كاشف حساس للغاية ، وانتظار مرور جسيمات المادة المظلمة”.
المشكلة؟ يمكن لجسيمات المادة المظلمة السفر بهدوء تام عبر الهواء. إذا كانت خفيفة جدًا أيضًا ، فقد لا تصطدم بالكاشف بطاقة كافية لإنشاء بصمة يمكن اكتشافها.
يعالج الإعداد التجريبي لفريق COHERENT هذه المشكلة.
قال بيرشي: “عندما تدخل في مسرع ، فإنك تنتج هذه الجسيمات بطاقة أعلى بشكل ملحوظ”. وهذا يمنحهم الكثير لكمة تطرق في النوى وإظهار إشارة المادة المظلمة.
اذا ماذا الان؟ لم يعد الأمر إلى لوحة الرسم تمامًا. يستعد Neutrino Alley حاليًا لتلقي كاشف أكبر وأكثر حساسية ، والذي ، جنبًا إلى جنب مع معايير البحث المكررة من COHERENT ، سيحسن بشكل كبير من احتمالات اصطياد أحد هذه الجسيمات الشيطانية.
قال بيرشي: “نحن على أعتاب حيث يجب أن تكون المادة المظلمة”.
المرجع: “المسبار الأول للمادة المظلمة Sub-GeV وراء التوقعات الكونية باستخدام كاشف COHERENT CsI في SNS” بقلم D. Akimov et al. ، 3 فبراير 2023 ، خطابات الفحص البدني.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.051803
