اقترح فريق من الباحثين الآن مرشحًا جديدًا للمادة المظلمة: مفرط ، أو “بقايا جسيمات شديدة التفاعل”.
يغير انتقال الطور في الكون المبكر قوة التفاعل بين المادة المظلمة والعادية.
المادة المظلمة هي واحدة من أعظم ألغاز الفيزياء الحديثة. من الواضح أنه يجب أن يكون كذلك ، لأنه بدون المادة المظلمة ، على سبيل المثال ، لا يمكن تفسير حركة المجرات. لكن التجربة فشلت في اكتشاف المادة المظلمة.
يوجد حاليًا العديد من المقترحات لإجراء تجارب جديدة: تهدف إلى اكتشاف المادة المظلمة مباشرةً من خلال تشتتها من نوى وسيط الكشف ، أي البروتونات والنيوترونات.
يقترح فريق من الباحثين – روبرت ماكجي وآرون بيرس من جامعة ميشيغان وجيلي إيلور من جامعة يوهانس جوتنبرج في ألمانيا – مرشحًا جديدًا للمادة المظلمة: مفرط أو “بقايا جسيمات شديدة التفاعل”.
في النموذج المفرط ، بعد تكوين المادة المظلمة في الكون المبكر ، تزداد قوة تفاعلها مع المادة العادية فجأة – مما يجعل من ناحية أخرى قابلاً للاكتشاف اليوم ، بينما يفسر أيضًا وفرة المادة المظلمة. شيء.
تُظهر صورة تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا توزيع المادة المظلمة في مركز مجموعة المجرات العملاقة أبيل 1689 ، التي تضم حوالي 1000 مجرة وتريليونات من النجوم.
المادة المظلمة هي شكل غير مرئي من المادة التي تشكل معظم كتلة الكون. لا يستطيع هابل رؤية المادة المظلمة مباشرة. استنتج علماء الفلك موقعه من خلال تحليل تأثير عدسة الجاذبية ، حيث ينكسر الضوء القادم من المجرات خلف أبيل 1689 بواسطة مادة داخل العنقود.
استخدم الباحثون المواضع المرصودة لـ 135 صورة بعدسة لـ 42 مجرة في الخلفية لحساب موقع وحجم المادة المظلمة في العنقود. لقد وضعوا خريطة لتركيزات المادة المظلمة المستنتجة ، باللون الأزرق ، على صورة الكتلة التي التقطتها كاميرا هابل المتقدمة للاستطلاعات. إذا كانت جاذبية العنقود تأتي فقط من المجرات المرئية ، فإن تشوهات العدسة تكون ضعيفة للغاية. يوضح الرسم التخطيطي أن التركيز الأكثر كثافة للمادة المظلمة يقع في مركز الكتلة.
يبعد أبيل 1689 مسافة 2.2 مليار سنة ضوئية عن 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 H. فورد (جامعة جونز هوبكنز)
تنوع جديد في مجال المادة المظلمة
نظرًا لأن ما يسمى بجزيئات المادة المظلمة الثقيلة ، أو WIMPS ، لم تؤد إلى النجاح بعد ، يبحث مجتمع البحث عن جسيمات المادة المظلمة البديلة ، خاصة الجسيمات الأخف منها. في الوقت نفسه ، يتوقع المرء عادة انتقالات المرحلة في المجال المظلم – بعد كل شيء ، هناك الكثير في المجال المرئي ، كما يقول الباحثون. لكن الدراسات السابقة تميل إلى تجاهلها.
قال Elor ، باحث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء النظرية في JGU: “لا يوجد نموذج مستقر للمادة المظلمة لنطاق الكتلة الذي تأمل بعض التجارب المخططة أن تقترب منه”.
التحدي الذي يواجه نموذجًا مناسبًا: إذا كانت المادة المظلمة تتفاعل بقوة مع المادة العادية ، فإن مقدارها (المعروف بدقة) المتكونة في الكون المبكر سيكون صغيرًا جدًا ، مما يتعارض مع الملاحظات الفيزيائية الفلكية. ومع ذلك ، إذا تم إنتاجه بالمقياس الصحيح ، فسيكون التفاعل أضعف من أن يكتشف المادة المظلمة في التجارب الحالية.
قال ماكجي: “فكرتنا المركزية وراء النموذج الفائق هو أن الارتباط يتغير فجأة مرة واحدة – لذلك يمكننا الحصول على أفضل ما في العالمين: الكمية المناسبة من المادة المظلمة والارتباط الكبير حتى نتمكن من اكتشافها”.
إليك كيف يتخيلها الباحثون: في فيزياء الجسيمات ، عادة ما يتم التوسط في التفاعل بواسطة جسيم معين ، يسمى الوسيط – وتفاعل المادة المظلمة مع المادة العادية. كل من تكوين المادة المظلمة ووظيفة الكشف عنها من خلال هذا الوسيط ، مع اعتماد قوة التفاعل على كتلته: كلما كانت الكتلة أكبر ، كان التفاعل أضعف.
يجب أن يكون الوسيط أولاً ثقيلًا بدرجة كافية بحيث يتم تكوين الكمية الصحيحة من المادة المظلمة ثم الضوء بدرجة كافية بحيث يمكن اكتشاف المادة المظلمة. الحل: بعد تكوين المادة المظلمة ، كان هناك انتقال طوري انخفضت خلاله كتلة الوسيط فجأة.
قال بيرس: “وهكذا ، من ناحية ، تبقى كمية المادة المظلمة ثابتة ، ومن ناحية أخرى ، يتم زيادة الارتباط أو تقويته بحيث يمكن اكتشاف المادة المظلمة مباشرة”.
يغطي النموذج الجديد نطاق المعلمات الكامل للاختبارات المخطط لها
قال إيلور: “عينة زائدة من المادة المظلمة ستغطي النطاق الكامل الذي يمكن الوصول إليه من خلال التجارب الجديدة”.
على وجه التحديد ، نظر فريق البحث أولاً في المقطع العرضي الأقصى للتفاعلات الوسيطة مع البروتونات والنيوترونات في النواة ، بما يتوافق مع الملاحظات الفلكية وبعض فيزياء الجسيمات. الخطوة التالية هي النظر فيما إذا كان هناك نموذج للمادة المظلمة يعبر عن هذا التفاعل.
قال ماكجي “وهنا توصلنا إلى فكرة الانتقال المرحلي”. “حسبنا كمية المادة المظلمة في الكون ثم استخدمنا حساباتنا لمحاكاة انتقال الطور.”
هناك العديد من القيود التي يجب مراعاتها ، مثل كمية ثابتة من المادة المظلمة.
قال إيلور: “هنا ، علينا أن نفكر بشكل منهجي في عدة سيناريوهات ، على سبيل المثال طرح سؤال عما إذا كان من المؤكد حقًا أن وسيطنا لا يؤدي فجأة إلى تكوين مادة مظلمة جديدة ، وهو ما لا ينبغي بالطبع أن يكون كذلك”. . “لكن في النهاية ، كنا مقتنعين بأن عارضتنا الفائقة كانت تعمل”.
تم نشر الدراسة في المجلة خطابات المراجعة المادية.
المرجع: جيلي إلور ، روبرت ماكجي ، وآرون بيرس ، “تعزيز الاكتشاف المباشر باستخدام مادة مظلمة عالية التفاعل للجسيمات” ، 20 يناير 2023. خطابات المراجعة المادية.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.031803
“متعصب التلفزيون. مدمن الويب. مبشر السفر. رجل أعمال متمني. مستكشف هواة. كاتب.”