اقترح فريق من الباحثين مؤخرًا مرشحًا جديدًا للمادة المظلمة: HYPER أو “HighlY Interactive ParticlE Relics”.
يغير انتقال الطور في الكون المبكر قوة التفاعل بين المادة المظلمة والمادة العادية.
تظل المادة المظلمة واحدة من أعظم ألغاز الفيزياء الحديثة. من الواضح أنه يجب أن يكون موجودًا ، لأنه بدون المادة المظلمة ، على سبيل المثال ، لا يمكن تفسير حركة المجرات. لكن لم يكن من الممكن أبدًا اكتشاف المادة المظلمة في تجربة ما.
حاليًا ، مقترحات التجارب الجديدة عديدة: فهي تهدف إلى الكشف عن المادة المظلمة مباشرة من خلال انتشارها من مكونات النوى الذرية لوسط الكشف ، أي البروتونات والنيوترونات.
اقترح فريق من الباحثين – روبرت ماكغي وآرون بيرس من جامعة ميشيغان وجيلي إلور من جامعة يوهانس جوتنبرج ماينز في ألمانيا – مرشحًا جديدًا للمادة المظلمة: HYPER أو “HighlY Interactive ParticlE Relics”.
في نموذج HYPER ، بعد مرور بعض الوقت على تكوين المادة المظلمة في الكون المبكر ، تزداد قوة تفاعلها مع المادة العادية بشكل حاد ، مما يجعلها من ناحية قابلة للاكتشاف اليوم ويمكنها في نفس الوقت تفسير وفرة الظلام. شيء. سؤال.
تُظهر هذه الصورة من تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا توزيع المادة المظلمة في مركز مجموعة المجرات العملاقة Abell 1689 ، التي تحتوي على حوالي 1000 مجرة وتريليونات من النجوم.
المادة المظلمة هي شكل من أشكال المادة غير المرئية التي تمثل معظم الكتلة في الكون. لا يستطيع هابل رؤية المادة المظلمة مباشرة. استنتج علماء الفلك موقعه من خلال تحليل تأثير عدسة الجاذبية ، حيث يتشوه الضوء القادم من المجرات خلف أبيل 1689 بسبب تدخل المادة في العنقود.
استخدم الباحثون المواضع المرصودة لـ 135 صورة عدسة لـ 42 مجرة في الخلفية لحساب موقع وكمية المادة المظلمة في العنقود. لقد وضعوا خريطة لتركيزات المادة المظلمة المستنتجة ، باللون الأزرق الملون ، على صورة الكتلة التي التقطتها كاميرا هابل المتقدمة للاستطلاعات. إذا كانت جاذبية الكتلة تأتي فقط من المجرات المرئية ، فإن تشوهات العدسة ستكون أضعف بكثير. تكشف الخريطة أن التركيز الأكثر كثافة للمادة المظلمة يقع في قلب الكتلة.
تقع أبيل 1689 على بعد 2.2 مليار سنة ضوئية من الأرض. التقطت الصورة في يونيو 2002.
حقوق الصورة: NASA، ESA، D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory / California Institute of Technology، Space Telescope Science Institute)، N. Benitez (معهد الفيزياء الفلكية في الأندلس ، إسبانيا) ، T. Broadhurst (جامعة إقليم الباسك ، إسبانيا) ، و إتش فورد (جامعة جونز هوبكنز)
التنوع الجديد في قطاع المادة المظلمة
نظرًا لأن البحث عن جسيمات المادة المظلمة الثقيلة ، أو WIMPS ، لم يؤت ثماره بعد ، يبحث مجتمع البحث عن جسيمات المادة المظلمة البديلة ، وخاصة الجسيمات الأخف منها. في الوقت نفسه ، من المتوقع عمومًا حدوث انتقالات المرحلة في القطاع المظلم – بعد كل شيء ، هناك العديد منها في القطاع المرئي ، وفقًا للباحثين. لكن الدراسات السابقة تميل إلى التغاضي عنها.
قال إيلور ، باحث ما بعد الدكتوراة: “لم يكن هناك نموذج ثابت للمادة المظلمة لنطاق الكتلة الذي تأمل بعض التجارب المخططة الوصول إليه.” في الفيزياء النظرية في JGU.
التحدي الذي يواجه نموذجًا مناسبًا: إذا تفاعلت المادة المظلمة بشدة مع المادة العادية ، فإن كميتها (المعروفة بدقة) التي تشكلت في الكون المبكر ستكون صغيرة جدًا ، مما يتعارض مع الملاحظات الفيزيائية الفلكية. ومع ذلك ، إذا تم إنتاجه بالكمية المناسبة ، فسيكون التفاعل أضعف من أن يكتشف المادة المظلمة في التجارب الحالية.
“فكرتنا المركزية ، التي يقوم عليها نموذج HYPER ، هي أن التفاعل يتغير فجأة مرة واحدة ، حتى نتمكن من الحصول على أفضل ما في العالمين: الكمية المناسبة من المادة المظلمة والتفاعل الكبير حتى نتمكن من اكتشافها.” ، قال. ماكجي.
وإليكم كيف يفكر الباحثون في الأمر: في فيزياء الجسيمات ، عادة ما يتم التوسط في التفاعل بواسطة جسيم معين ، ما يسمى بالوسيط ، تمامًا مثل تفاعل المادة المظلمة مع المادة العادية. يعمل كل من تكوين المادة المظلمة وكشفها عبر هذا الوسيط ، وتعتمد قوة التفاعل على كتلته: فكلما زادت الكتلة ، كان التفاعل أضعف.
يجب أن يكون الوسيط أولاً ثقيلًا بما يكفي لتشكيل الكمية المناسبة من المادة المظلمة ثم الضوء بدرجة كافية حتى يمكن اكتشاف المادة المظلمة. الإصلاح: كان هناك انتقال طوري بعد تكوين المادة المظلمة ، حيث تناقصت كتلة الوسيط فجأة.
قال بيرس: “وهكذا ، من ناحية ، تبقى كمية المادة المظلمة ثابتة ، ومن ناحية أخرى ، يتم تحفيز التفاعل أو تعزيزه بطريقة تجعل المادة المظلمة قابلة للكشف بشكل مباشر”.
يغطي النموذج الجديد تقريبًا نطاق المعلمات الكامل للتجارب المخطط لها
قال إيلور: “نموذج HYPER للمادة المظلمة قادر على تغطية النطاق الكامل تقريبًا الذي تتيحه التجارب الجديدة”.
على وجه التحديد ، اعتبر فريق البحث أولاً أن المقطع العرضي الأقصى للتفاعل الوسيط مع البروتونات والنيوترونات لنواة الذرة كان متسقًا مع الملاحظات الفلكية وبعض التحلل في فيزياء الجسيمات. كانت الخطوة التالية هي تحديد ما إذا كان هناك نموذج للمادة المظلمة يُظهر هذا التفاعل.
قال ماكغي “وهنا جاءتنا فكرة المرحلة الانتقالية”. “قمنا بعد ذلك بحساب كمية المادة المظلمة الموجودة في الكون ثم قمنا بمحاكاة انتقال الطور باستخدام حساباتنا.”
يجب أخذ العديد من القيود في الاعتبار ، مثل كمية ثابتة من المادة المظلمة.
“هنا يتعين علينا التفكير بشكل منهجي في العديد من السيناريوهات وتضمينها ، على سبيل المثال من خلال طرح السؤال على أنفسنا عما إذا كان من المؤكد حقًا أن وسيطنا لا يؤدي فجأة إلى تكوين مادة مظلمة جديدة ، وهو ما لا ينبغي بالطبع أن يكون كذلك” ، Elor قال. . “ولكن في النهاية ، كنا مقتنعين بأن نموذج HYPER الخاص بنا كان يعمل”.
نشر البحث في المجلة خطابات الفحص البدني.
المرجع: “تعظيم الاكتشاف المباشر باستخدام مادة مظلمة عالية التفاعل للجسيمات” بقلم جيلي إلور وروبرت ماكغي وآرون بيرس ، 20 يناير 2023 ، خطابات الفحص البدني.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.031803
