قد يكون تحقيقًا قياسيًا، باستخدام كاشف الجسيمات على بعد ميل تحت الأرض في داكوتا الجنوبية، قد كشف عن رؤى جديدة حول المادة المظلمة، المادة الغامضة التي يعتقد أنها تشكل معظم المادة في الكون.

وباستخدام أكبر مجموعة بيانات من نوعها، قيدت التجربة – المسماة LUX-ZEPLIN (LZ) – الخصائص المحتملة لأحد المرشحين الرئيسيين للمادة المظلمة بحساسية غير مسبوقة. ولم يكشف البحث عن أي دليل على وجود المادة الغامضة، لكنه سيساعد الدراسات المستقبلية على تجنب الاكتشافات الخاطئة والتركيز بشكل أفضل على هذه القطعة غير المفهومة من الكون.

“هذا المسعى هو محاولة حل هذه المشكلة الضخمة، هذه القطعة الضخمة المفقودة التي لدينا فيما يتعلق بفهم كوننا.” ريك جايتسكيلوقال رئيس مجموعة الفيزياء الفلكية الجزيئية في جامعة براون وجزء من فريق بحث LZ لـ Live Science.

النتائج، صدر يوم الاثنين (8 ديسمبر)، تم تقديمها إلى مجلة Physical Review Letters وهي متاحة كطبعة أولية عبر arXiv. تم عرض النتائج أيضًا في محاضرة علمية في منشأة سانفورد للأبحاث تحت الأرض، حيث يتم استضافة كاشف LZ؛ البحث بقيادة دانيال اكيريب، أستاذ فيزياء الجسيمات في مختبر المسرع الوطني SLAC في كاليفورنيا.

WIMPs مقابل النيوترينوات

كان للفريق هدفين للدراسة الجديدة: توضيح خصائص الكتلة المنخفضة “نكهة” جسيمات المادة المظلمة المقترحة تسمى الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs)، ولمعرفة ما إذا كان الكاشف يمكنه رؤية النيوترينوات الشمسية – وهي جسيمات دون ذرية أقل كتلة تقريبًا تنتجها التفاعلات النووية داخل الشمس. اشتبه الفريق في أن توقيع الكشف عن هذه الجسيمات يمكن أن يكون مشابهًا لما تنبأت به نماذج معينة من المادة المظلمة، لكنه كان بحاجة إلى اكتشاف النيوترينوات الشمسية للتأكد من ذلك.

قبل التجربة، التي استغرق تنفيذها 417 يومًا بين مارس 2023 وأبريل 2025، تمت ترقية حساسية الكاشف للبحث عن تفاعلات نادرة مع الجسيمات الأساسية. كانت الغرفة الأسطوانية المملوءة بالزينون السائل مسرحًا للعمل. يمكن للباحثين مراقبة تصادم الجسيمات ضعيفة التفاعل (WIMPs) أو النيوترينوات مع الزينون، وكلاهما ينتج ومضات من الفوتونات، جنبًا إلى جنب مع الإلكترونات الموجبة الشحنة.

دفعت التجربة العلم إلى الأمام فيما يتعلق بكل من الأسئلة المتعلقة بـ WIMP والنيوترينو. بالنسبة للنيوترينوات، قام الباحثون بتحسين ثقتهم في أن نوعًا من النيوترينو الشمسي، المعروف باسم البورون 8، يتفاعل بالفعل مع الزينون. ستساعد هذه المعرفة الدراسات المستقبلية على تجنب الاكتشافات الكاذبة للمادة المظلمة.

يجب أن تصل اكتشافات الفيزياء عادة إلى مستوى ثقة يسمى “5 سيجما” حتى تعتبر صالحة. حقق العمل الجديد 4.5 سيجما – وهو تحسن كبير مقارنة بنتائج أقل من 3 سيجما التي تم الإبلاغ عنها في كاشفين العام الماضي. وكان ذلك ملحوظًا بشكل خاص نظرًا لأن اكتشافات البورون-8 تحدث مرة واحدة فقط شهريًا في الكاشف، حتى عند مراقبة 10 أطنان من الزينون، كما قال جايتسكيل.

أما بالنسبة لمسألة المادة المظلمة، فلم يجد الباحثون أي شيء محدد بالنسبة للأنواع منخفضة الكتلة من الجسيمات الضخمة التي كانوا يبحثون عنها. وقال الفريق إن العلماء كانوا سيعرفونه لو رأوه؛ إذا كان ضعيفاعندما تصطدم بقلب جزيء الزينون، فإن طاقة الاصطدام تخلق توقيعًا مميزًا، كما تتوقع النماذج.

وأوضح جايتسكيل: “إذا أخذت نواة، فمن الممكن أن تدخل المادة المظلمة وتنتشر في الوقت نفسه من النواة بأكملها وتتسبب في ارتدادها”. “إنه يُعرف باسم التشتت المتماسك. وله توقيع خاص في الزينون. لذلك، نحن نبحث عن تلك الارتدادات النووية المتماسكة.”

ولم يكتشف الفريق هذا التوقيع في تجربتهم.

مضاعفة الجري

وسيبدأ تشغيل آخر أطول في عام 2028، حيث من المتوقع أن يجمع الكاشف النتائج لمدة قياسية تبلغ 1000 يوم. إن المدى الأطول يمنح الباحثين فرصة أفضل لالتقاط الأحداث النادرة.

لن يبحث الكاشف عن المزيد من تفاعلات النيوترينو الشمسي أو WIMP فحسب، بل سيبحث أيضًا عن فيزياء أخرى قد تقع خارج نطاق الكون. النموذج القياسي يقال أن فيزياء الجسيمات تصف معظم البيئة المحيطة بنا.

وشدد جايتسكيل على أن دور العلم هو الاستمرار في المضي قدمًا حتى عندما تظهر نتائج “سلبية”.

وقال جايتسكيل، الذي كان يدرس المادة المظلمة لأكثر من أربعة عقود: “الشيء الوحيد الذي تعلمته هو، لا تفترض أبدًا أن الطبيعة تفعل الأشياء بالطريقة التي تعتقد أنها ينبغي أن تفعلها بالضبط”.

“هناك الكثير من (الحلول) الأنيقة التي يمكن أن تقول عنها: “هذا جميل جدًا. يجب أن يكون صحيحًا”. وقمنا باختبارها… واتضح أن الطبيعة تجاهلتها ولم ترغب الطبيعة في السير في هذا الطريق بالتحديد”.