سر المادة المظلمة في الكون

ربما تكون الغرافيتونات الهائلة لاجئة كونية من أبعاد إضافية بعد الانفجار العظيم، وتكونت بكميات كبيرة بما يكفي لتفسير المادة المظلمة.
- ثلث سكان العالم يتوقع أن يعيشوا على أراضي شبه صحراوية بحلول 2070
وقد تتكون المادة المظلمة، وهي المادة المراوغة التي تمثل غالبية الكتلة في الكون، من جسيمات ضخمة تسمى الغرافيتونات ظهرت إلى الوجود لأول مرة في اللحظة الأولى بعد الانفجار العظيم. وتقترح نظرية جديدة أن هذه الجسيمات الافتراضية قد تكون لاجئة كونية من أبعاد إضافية.
وتشير حسابات الباحثين إلى أن هذه الجسيمات يمكن أن تكون نشأت بالكميات الصحيحة فقط لتفسير المادة المظلمة، والتي لا يمكن "رؤيتها" إلا من خلال جاذبيتها على المادة العادية. وتنتج الغرافيتونات الضخمة عن طريق تصادم الجسيمات العادية في بدايات الكون. كان يُعتقد أن هذه العملية نادرة جدا بالنسبة إلى الغرافيتونات الضخمة لتكون المادة المظلمة، كما قال المعد المشارك في الدراسة جياكومو كاتشياباليا، عالم الفيزياء في جامعة ليون في فرنسا.
ولكن، في دراسة جديدة نُشرت في فبراير في مجلة Physical Review Letters، وجد كاتشياباليا، إلى جانب الفيزيائيين بجامعة كوريا هاينغ كاي وسونغ جيه لي، أن ما يكفي من هذه الغرافيتونات كان من الممكن صنعها في الكون المبكر لحساب كل المادة المظلمة التي نكتشفها حاليا في الكون.
ووجدت الدراسة أن الغرافيتونات، إذا كانت موجودة، سيكون لها كتلة أقل من 1 ميغا إلكترون فولت (MeV)، لذلك لا تزيد عن ضعف كتلة الإلكترون. ومستوى الكتلة هذا أقل بكثير من المقياس الذي يولد به بوزون هيغز كتلة للمادة العادية - وهو أمر أساسي للنموذج لإنتاج ما يكفي منها لتفسير كل المادة المظلمة في الكون. (وللمقارنة، أخف جسيم معروف، النيوترينو، يزن أقل من 2 إلكترون فولت، بينما يزن البروتون حوالي 940 ميغا إلكترون فولت، وفقا للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا).
ووجد الفريق هذه الغرافيتونات الافتراضية أثناء البحث عن أدلة ذات أبعاد إضافية، والتي يعتقد بعض الفيزيائيين أنها موجودة إلى جانب الأبعاد الثلاثة المرصودة للفضاء والبعد الرابع، الوقت.
وفي نظرية الفريق، عندما تنتشر الجاذبية من خلال أبعاد إضافية، فإنها تتجسد في كوننا كغرافيتونات ضخمة.
لكن هذه الجسيمات ستتفاعل بشكل ضعيف مع المادة العادية، وفقط عن طريق قوة الجاذبية. وهذا الوصف مشابه بشكل مخيف لما نعرفه عن المادة المظلمة، التي لا تتفاعل مع الضوء ولكن لها تأثير جاذبية محسوس في كل مكان في الكون.
وقال كاتشياباليا: "الميزة الرئيسية للغرافيتونات الضخمة كجسيمات مادة مظلمة هي أنها تتفاعل فقط من خلال الجاذبية، وبالتالي يمكنها الهروب من محاولات الكشف عن وجودها".
وعلي النقيض من ذلك، فإن المادة المظلمة المرشحة الأخرى المقترحة - مثل تفاعل الجسيمات الضخمة، الأكسيونات والنيوترينوات ضعيفة التفاعل - يمكن أيضا الشعور بها من خلال تفاعلاتها الدقيقة جدا مع القوى والمجالات الأخرى.
وتقدم حقيقة أن الغرافيتونات الضخمة بالكاد تتفاعل عن طريق الجاذبية مع الجسيمات والقوى الأخرى في الكون، ميزة أخرى.
وقال كاتشياباليا: "نظرا لتفاعلاتها الضعيفة جدا، فإنها تتحلل ببطء شديد بحيث تظل مستقرة طوال عمر الكون. وللسبب نفسه، يتم إنتاجها ببطء أثناء توسع الكون وتتراكم هناك حتى اليوم".
وفي الماضي، اعتقد الفيزيائيون أن الغرافيتونات كانت مادة مظلمة مرشحة على الأرجح لأن العمليات التي تنتجها نادرة للغاية. ونتيجة لذلك، سيتم إنشاء الغرافيتونات بمعدلات أقل بكثير من الجسيمات الأخرى.
لكن الفريق وجد أنه في غضون جزء من الثانية (تريليون من الثانية) بعد الانفجار العظيم، كان من الممكن إنشاء المزيد من هذه الغرافيتونات أكثر مما اقترحته النظريات السابقة. ووجدت الدراسة أن هذا التعزيز كان كافيا للغرافيتونات الضخمة لتفسير كمية المادة المظلمة التي نكتشفها في الكون تماما.
ونظرا لأن الغرافيتونات الضخمة تتشكل تحت مقياس الطاقة لبوزون هيغز، فإنها تتحرر من الشكوك المتعلقة بمقاييس الطاقة الأعلى، والتي لا تصفها فيزياء الجسيمات الحالية جيدا.
وتربط نظرية الفريق الفيزياء المدروسة في مسرعات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير بفيزياء الجاذبية. وهذا يعني أن مسرعات الجسيمات القوية مثل Future Circular Collider في CERN، والتي يجب أن تبدأ العمل في عام 2035، يمكن أن تبحث عن أدلة على جسيمات المادة المظلمة المحتملة.