الوقت المقدر للقراءة: 3 دقائق
الفوتونات الخفية قد تلقي الضوء على المادة المظلمة الغامضة
وضعت تقنية تجريبية جديدة ضوابط لمرشح محتمل للمادة المظلمة يسمى الفوتونات المظلمة.
قد تساعد طريقة جديدة العلماء على إلقاء الضوء على أكثر مواد الكون غموضاً. وذلك عن طريق تضييق نطاق البحث عن مرشح محتمل للمادة المظلمة، وهي الفوتونات المظلمة الخفية.
تشكل المادة المظلمة ٨٥٪ تقريباً من محتوى المادة في الكون. ومع ذلك، لكونها لا تتفاعل مع الضوء أو أنها تتفاعل تفاعلاً ضعيفاً جداً، تبقى غير مرئية عملياً. ولأن المادة الظلمة على ما يبدو لا تتفاعل كهرومغناطيسياً، فهذا يعني أن العلماء يعرفون بأنها ليست مكونة من الذرات التي تكون المادة العادية. أي المادة التي تكون النجوم والكواكب والأجسام.
ومسألة غموض المادة المظلمة أمر يؤرق العلماء. وذلك لأنها تعني بأن المادة التي نراها تكون ١٥٪ فقط من الأشياء في الكون، ودون أن يشمل ذلك الطاقة. وهذا ما دفع إلى البحث عن مرشح محتمل للطاقة المظلمة، كالذي يسمى الفوتون المظلم أو الخفي.
وستختلف الفوتونات الخفية عن الفوتونات العادية، وهي الجسيمات عديمة الكتلة التي يتكون منها الضوء. في حين يفترض أن تمتلك الفوتونات المظلمة كتلة. وستكون كتلتها ضئيلة، أقل بـ ١٠ قوة ٢٠ مرة من كتلة الإلكترون تقريباً. وهذه الطبيعة فائقة الخفة هي ما يجعل الفوتونات المظلمة مرشحاً جيداً للمادة المظلمة، وما يجعلها أيضاً صعبة الرصد جداً.
وقد اقترحت الفوتونات المظلمة في البداية مرشحاً للمادة المظلمة، لأنها تتفاعل تفاعلاً ضعيفاً مع الفوتونات العادية نظرياً. ما يعني أنه قد يكون لها دور في رفع حرارة الكون المبكر. وهذا الحدث قد يفسر لماذا كانت الشبكة الكونية التي تربط المجرات أعلى حرارة مما هو متوقع عندما رصدها تلسكوب هابل.
الكشف الجديد
وصل باحثون من معهد كالتك حالياً إلى طريقة رصد جديدة للفوتونات المظلمة. وفي حين لم تثبت هذه الاستراتيجية الجديدة أي من هذه الجسيمات الافتراضية، إلا أنها وضعت محددات لخصائصها، الأمر الذي سيساعد البحوث المستقبلية.
تعتمد حساسية تجربة الفوتون الخفي للمادة المظلمة على قوة إشارة المادة المظلمة مقارنة بأقل إشارة يمكنك رصدها. وفيما يتصل بالبحث عن الفوتون الخفي فإن سعة إشارة المادة المظلمة تقاس بمساحة الطبق المعدني المستخدم.
بينما أدنى مستوى إشارة يمكن رصده يحدد بدرجة كبيرة من خلال مستوى الضوضاء (تداخل الإشارة) للمضخم المستخدم لقراءة الهوائي.
بحث فائق البرودة عن المادة المظلمة
يأتي الإلهام لفريق البحث عن الفوتون المظلم من محاولة سابقة لرصد مادة مظلمة خفية تسمى تجربة شوكيت SHUKET. وهي تستخدم تيلسكوب كهرومغناطيسي.
وقد هدفت أبحاث سابقة ألهمت هذا العمل -مثل تجربة شوكيت- بصورة عامة إلى رفع قوة الإشارة إلى الحد الأقصى. وذلك من خلال طبق كبير جداً يعتمد أفضل المضخمات منخفضة التداخل المتوفرة.
وقد أخذ الفريق منهجاً مختلفاً في الدراسة الجديدة، وذلك باستخدام مضخمات كمية محدودة أكثر من استخدام مضخمات عادية متوفرة. وتنفيذ بحثهم عن الفوتون المظلم عند درجات حرارة منخفضة جداً.
حيث أجروا البحث في درجات حرارة تتراوح بين -٢٧٢.٩ و -٢٧٣.١٩ درجة مئوية. أي أعلى بقليل من الصفر المطلق وهو أخفض درجة حرارة.
وفي حين سمح هذا للعلماء بتخفيض مستويات الإشارة الدنيا التي أمكنهم رصدها مقارنة بتجارب أخرى استخدمت تقنية عادية، إلا أنها ترافقت مع سلبية. وهي أن بيئة العزل بالفراغ الصغيرة لجهاز ناظم الحرارة المنخفضة الذي استخدمه العلماء لتبريد جهازهم قد أدى إلى محدودية حجم الطبق المعدني الكروي المستخدم محدودية كبيرة.
ومع أن هذا يعني إشارة أخفض بكثير من التي رصدتها تجربة شوكيت وغيرها من تجارب البحث عن المادة المظلمة، تأمل الفريق أن يعوض عن هذه السلبية ارتفاع حساسية القياسات التي جمعوها.
فإذا وجد فوتون مظلم بكتلة تتوافق مع مجال التردد التي كانت التجربة حساسة له، فيجب رصد كمية زائدة من الطاقة تأتي من الطبق مقارنة بالمرجع. ولكون الباحثين لم يروا مثل هذه الإشارة، أمكنهم وضع حد أعلى جديد لتآثر مثل جسيمات الفوتون المظلم هذه والحقل الكهرومغناطيسي بناء على أدنى مستوى إشارة أمكنهم رصده.
وفي حين لم تكن إشارة الفوتونات المظلمة موجودة في قياسات الفريق، إلا أن النهج الذي اتخذه العلماء وضع محددات صارمة جديدة على الفوتونات الخفية النظرية. ومع استمرار البحث عن مرشحات للمادة المظلمة، يمكن لهذه المحددات وهذا المنهج الجديد أن يؤدي في النهاية دوراً في اكتشاف الفوتونات المظلمة، وبذلك حل لغز المادة المظلمة.
ملخص المقال
وضعت تقنية تجريبية جديدة ضوابط لمرشح محتمل للمادة المظلمة يسمى الفوتونات المظلمة.
وقد أخذ الفريق منهجاً مختلفاً في الدراسة الجديدة، وذلك باستخدام مضخمات كمية محدودة، ونفذوا بحثهم عن الفوتون المظلم عند درجات حرارة منخفضة جداً.
وقد تساعد هذه الطريقة الجديدة العلماء على إلقاء الضوء على أكثر مواد الكون غموضاً، وذلك عن طريق تضييق نطاق البحث عن مرشح محتمل للمادة المظلمة، وهي الفوتونات المظلمة الخفية.