يمكن أن تساعد طريقة جديدة العلماء في تسليط الضوء على المادة الأكثر غموضًا في الكون من خلال تضييق نطاق البحث عن مرشح معين للمادة المظلمة – “الفوتونات المظلمة” المخفية.
تشكل المادة المظلمة حوالي 85٪ من محتوى المادة في الكون ، ولكن نظرًا لأنها لا تتفاعل مع الضوء أو تتفاعل بشكل ضعيف جدًا ، فإنها تظل غير مرئية بشكل فعال. حقيقة أن المادة المظلمة لا يبدو أنها تتفاعل كهرومغناطيسيًا تعني أن العلماء يعرفون أنها لا يمكن أن تتكون من الذرات التي تشكل المادة “الطبيعية” التي تتكون منها النجوم والكواكب وأجسادنا.
يمثل لغز المادة المظلمة مشكلة ملحة للعلماء لأنه يعني أن المادة التي نراها تشكل فقط 15٪ من المادة ، دون احتواء الطاقة ، في الكون. وقد أدى ذلك إلى البحث عن المادة المظلمة المرشحة المحتملة ، مثل ما يسمى بالفوتونات “المخفية” أو “المظلمة”.
قد تختلف هذه الفوتونات المظلمة عن الفوتونات العادية ، وهي جسيمات عديمة الكتلة تشكل الضوء ، حيث يُفترض أن تمتلك الفوتونات المظلمة كتلة. ستكون كتلة الفوتونات المظلمة ضئيلة ، عند حوالي عشرين مرة من الحجم أقل من كتلة الإلكترون. هذه الطبيعة الخفيفة للغاية هي التي تجعل الفوتونات المظلمة مرشحًا جيدًا للمادة المظلمة وستجعل اكتشافها أمرًا صعبًا للغاية.
متعلق ب: لعبة شد الحبل الكونية “ الغريبة ” في سديم الرتيلاء تصنع نجومًا جددًا
تم اقتراح الفوتونات المظلمة في البداية كمرشح للمادة المظلمة لأنها ، من الناحية النظرية ، ستتفاعل بشكل ضعيف مع الفوتونات العادية ، مما يعني أنه كان من الممكن أن تلعب دورًا في تسخين الكون المبكر. يفسر هذا الإجراء لماذا كانت الشبكة الكونية ، وهي بنية واسعة النطاق في الكون تربط بين المجرات ، أكثر سخونة مما كان متوقعًا عند ملاحظتها بواسطة تلسكوب هابل الفضائي.
الآن ، توصل باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) إلى طريقة جديدة للكشف عن الفوتونات المظلمة. وعلى الرغم من أن هذه الاستراتيجية الجديدة لم تكشف بعد عن أي من الجسيمات الافتراضية ، إلا أنها وضعت قيودًا على خصائصها ، مما سيساعد في عمليات البحث المستقبلية.
قال عضو الفريق نيكيتا كليموفيتش ، الباحث في قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد ، لموقع Phys.org: “تعتمد حساسية تجربة المادة المظلمة للفوتون المخفي على قوة إشارة المادة المظلمة مقارنة بأصغر إشارة يمكنك اكتشافها”.
“بالنسبة لعمليات البحث عن الفوتون المخفي ، يتم قياس اتساع نطاق إشارة المادة المظلمة مع مساحة الطبق المعدني المستخدم ، بينما يتم تحديد الحد الأدنى من مستوى الإشارة القابل للاكتشاف إلى حد كبير من خلال مستوى الضوضاء [the interference] من مكبرات الصوت المستخدمة لقراءة الهوائي “.
مطاردة فائقة البرودة للمادة المظلمة
مصدر الإلهام للبحث عن الفوتون المظلم للفريق من محاولة سابقة للبحث عن مادة مظلمة مخفية تسمى تجربة SHUKET ، والتي تستخدم تلسكوبًا كهرومغناطيسيًا.
أوضح كليموفيتش أن “عمليات البحث السابقة التي ألهمت هذا العمل ، مثل تجربة SHUKET ، تهدف عمومًا إلى زيادة قوة الإشارة إلى أقصى حد من خلال الحصول على طبق كبير جدًا أثناء استخدام أفضل مكبرات الصوت منخفضة الضوضاء المتاحة تجارياً التي يمكنهم الوصول إليها”.
اتخذ الفريق نهجًا مختلفًا في الدراسة الجديدة ، مع ذلك ، باستخدام مضخمات محدودة الكم بدلاً من مكبرات الصوت الجاهزة وإجراء مطاردة الفوتونات المظلمة في درجات حرارة منخفضة بشكل لا يصدق. لقد بحثوا في درجات حرارة تتراوح بين سالب 459 درجة فهرنهايت (ناقص 272.9 درجة مئوية) وسالب 459.6682 درجة فهرنهايت (ناقص 273.149 درجة مئوية) ، وهي أقل درجة من درجة حرارة أكثر برودة ممكنة نظريًا ، الصفر المطلق.
في حين أن هذا سمح للعلماء بتقليل الحد الأدنى من مستويات الإشارة التي يمكنهم اكتشافها بشكل كبير مقارنة بالتجارب الأخرى باستخدام التكنولوجيا الجاهزة ، فقد جاء مع عيب كبير. البيئة الصغيرة المعزولة بالتفريغ لجهاز ناظم البرد التي استخدمها العلماء لتبريد أجهزتهم حدت بشدة من حجم الطبق المعدني الكروي الذي يمكنهم استخدامه في بحثهم.
على الرغم من أن هذا يعني إشارة أقل بكثير من تلك التي تم اكتشافها بواسطة SHUKET وتجارب أخرى للبحث عن المادة المظلمة ، كان الفريق يأمل أن يتم تعويض هذا العيب من خلال زيادة حساسية القياسات التي جمعوها.
قصص ذات الصلة:
– ما هي المادة المظلمة؟
– جسيم المادة المظلمة الذي قد يلقي الضوء أخيرًا على الغموض الكوني بأنه “ أفضل ما في العالمين ” ، كما يقول العلماء
– إرسال ساعات ذرية بالقرب من الشمس يمكن أن يكشف عن أسرار المادة المظلمة
قال كليموفيتش: “إذا كان الفوتون المخفي موجودًا بكتلة تقابل نطاق التردد الذي كنا حساسين له ، فيجب أن نرى كتلة زائدة صغيرة من الطاقة تأتي من الطبق مقارنةً بالمرجع”. “لأننا لم نر مثل هذه الإشارة ، يمكننا وضع حد أعلى جديد لاقتران مثل هذا الجسيم الفوتوني المخفي بالمجال الكهرومغناطيسي بناءً على أصغر مستوى إشارة كنا قادرين على اكتشافه.”
في حين أن إشارة الفوتونات المظلمة لم تكن موجودة في قياس الفريق ، فإن النهج الذي اتبعه العلماء قد وضع قيودًا جديدة صارمة على الفوتونات الخفية النظرية. مع استمرار البحث عن المادة المظلمة المرشحة ، يمكن أن تلعب هذه القيود وهذا النهج الجديد في النهاية دورًا في اكتشاف الفوتونات المظلمة ، وبالتالي في حل لغز المادة المظلمة.
وخلص كليموفيتش إلى أنه “بصرف النظر عن القيود الجديدة الموضوعة على الاكتشاف ، فقد أظهرنا أسلوبًا يسهل الوصول إليه للغاية لتجارب الفوتونات المخفية في المستقبل”.
نُشر بحث الفريق الشهر الماضي في مجلة Physical Review Letters.