رحلة بحث عن مادة الفيزيائيين المفضلة.. «المادة المظلمة»

بعد عقود من البحث والغياب، حان وقت الإعلان عن نظرية رائدة تكشف عن مكونات المادة المظلمة، وهي تلك المادة الغامضة التي نعتقد أنها تمثل حوالي %85 من مادة الكون.
من المقرر للمصادم الهادروني الكبير في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية بمختبر «سيرن» CERN، الذي يقع بالقرب من جنيف بسويسرا، أن يبدأ العمل من جديد في هذا الشهر، بعد أن شهد تطورًا كبيرًا، حيث من الواضح أن هذه المرة هي الفرصة الأخيرة لجيل كامل، من أجل تخليق نظري لجزيئات تُعرف باسم «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل» WIMPs، ثم إثبات وجودها. ومن المقرر أيضًا هذا العام أن تبدأ تجربة «كشف مباشر» فائقة الحساسية، من أجل الكشف عن هذه الجزيئات التي تتكون طبيعيًّا، دون تدخُّل الإنسان.
في الوقت ذاته، يتزامن الفشل الراهن في العثور على «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل» في المصادم الهادروني الكبير، أو تجارب الكشف المباشر، مع مبشِّرات مفاجئة من تجارب أخرى، حيث ترجح هذه المبشِّرات كفة الاقتراحات القائلة إن المادة المظلمة تتكون من شيء آخر. ولذلك.. يعلِّق كيفورك آبازاجيان، الباحث في علم الفيزياء النظرية، الذي يدرس علم الكون الجسيمي بجامعة كاليفورنيا في إيرفين، بأن مجموعة البدائل التي اعتبرناها سابقًا توقعات مستبعَدة تبدو الآن «أقل إثارة للاهتمام».
وأيًّا كانت ماهيّة المادة المظلمة، فأغلب الفلكيين يقرُّون حقيقة وجودها. وكمية المادة «المرئية» في صورتها العادية لا تنتج جاذبية كافية لتفسر السرعة التي تتحرك بها النجوم داخل المجرات، أو التي تتحرك بها المجرات داخل الحشود المجرِّيَّة. وقد تميط المادة المظلمة لثام هذا اللغز الغامض، لأنها لا تمتص الضوء، ولا تشتته، مما يجعل وجودها لا ينكشف إلا بقوة الجاذبية في الأحوال العادية. وهناك نظريات مختلفة الاقتراحات عن نوع الجسيم الذي يمتلك هذه الخواص.
يعشق علماء الفيزياء النظرية «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل» عشقًا خاصًّا. وهي أجسام ثقيلة نسبيًّا، حجمها ما بين 1 جيجا فولت إلكتروني، أو ما يقارب كتلة بروتون واحد و1،000 تيرا فولت إلكتروني؛ ولذلك.. تتسم نسبيًّا بالبطء، أو «البرودة». وهذه الخواص تتفق تمامًا مع أفضل النماذج الحالية لتطور الكون، التي تمثل هالات المادة المظلمة الباردة فيها العوامل الرئيسة في تكوين المجرات والحشود المجرِّيَّة. وتطرح «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل» حلولًا لمشكلات فرعين منفصلين في الفيزياء، وهما: فيزياء الجسيمات، وعلم الكون. وقد يساعد استيعاب كتلة «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل» وقوة تفاعلها مع الجسيمات الأخرى في شرح السبب وراء كتلة جسيم هيجز بوزون، لكن تلك الأرقام تعني أيضًا أن «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل» وُجدت بالمعدل الصحيح تمامًا أثناء بدايات الكون؛ لتحقق غزارة الحديث عن تلك النظرية اليوم. وتلك صدفة تُعرف ب«معجزة الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل».
ورغم أن هذه الجزيئات تحتل المرتبة الأولى في قائمة الفيزيائيين للعناصر المطلوبة بشدة، ما زالت تقبع في مكان مجهول. وعندما علَّق المصادم الهادروني الكبير نشاطه لأعمال الصيانة في 2013، كانت الأبحاث عن هذه الجزيئات خالية الوفاض؛ كما أن بحوث الكشف المباشر فائقة الحساسية لم تتوصل إليها أثناء أول تشغيل لها في عام 2013. أجرى هذه البحوث فائقة الحساسية الباحثون خلال تجربة الزينون العملاق تحت الأرض LUX في منشأة ستانفورد للبحوث، الواقعة تحت الأرض في مدينة ليد بداكوتا الجنوبية.
من الممكن أن تظهر «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل» خلال هذه السنة، حيث إن المصادم الهادروني الكبير بعد تحسين أداءہ سوف يقوم بسحق البروتونات ببعضها بطاقة مشتركة قدرها 13 تيرا فولت إلكتروني، في مقابل 8 تيرا فولت إلكتروني في تشغيله السابق. وهذه الطاقة الإضافية ستكون قادرة على خلق جسيمات لم يكن من الممكن إنتاجها من قبل. وفي هذا الصيف أيضًا، من المقرر بدء عمل كاشف «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل»، يسمى تجربة «زينون وان تي» XENON1T التي تُجرَى عند كتلة جبل جران ساسو في وسط إيطاليا. وطبقًا لقول المتحدث باسم تجربة «زينون وان تي»، رافائيل لانج، عالم فيزياء الجسيمات بجامعة كولومبيا في نيويورك، ستتجاوز حساسية هذه التجربة بأكثر من خمسين مرة حساسية تجربة الزينون العملاق تحت الأرض.
يوضح سكوت دودلسون، الباحث في علم الكون في مختبر فيرمي الوطني لتسريع الجزيئات في باتافيا – إلينوي، أن تتابع خيبة الأمل يعني أن بعض علماء الفيزياء النظرية بدأوا بالفعل في العدول عن إيجاد «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل»، والبحث عن بدائل.
من ضمن الحلول البديلة المحتملة: النيوترينوات، وهي جسيمات تتفاعل تفاعلًا ضعيفًا مع أنواع المادة الأخرى، وذلك من شروط المادة المظلمة. ولا تتوافق مع خصائص المادة المظلمة أنواع النيوترينوات الثلاثة المعروفة، لكن هناك نوع افتراضي رابع، من الممكن أن يكون المرشح الأنسب، ويُسمى النيوترينو «العقيم» لأنه يتفاعل تفاعلًا ضعيفًا، يقل حتى عن تفاعلات أقرانه الضعيفة أيضًا.
في ديسمبر 2014، أصدر مرصد بلانك التابع لوكالة الفضاء الأوروبية خريطة للإشعاع العتيق منذ بداية الكون، حيث استبعدت وجود نيوترينو عقيم بكتلة صغيرة مثل النيوترينوات الأخرى، مثلما أسفرت نتائج تجربة النيوترينو بخليج دايا في مقاطعة جوانجدونج الصينية. وبالعودة إلى فبراير 2014، خرجت إسرا بلبل، الباحثة في فيزياء الفلك في مركز «هارفارد سميثونيان للفيزياء الفلكية في كمبريدج – ماساتشوستس، وزملاؤها، وأبلغوا عن إشارة فوتون غامضة قادمة من 73 حشدًا مَجَرِّيًّا. وكان الطول الموجي للفوتونات متسقًا مع تحلل النيوترينوات العقيمة التي تزن حوالي 7 كيلو فولت إلكتروني، أي أثقل على الأقل بثلاثين ألف مرة من النيوترينوات العادية.
أطلقت نتائجهم المنشورة على الأرشيف الإلكتروني arXiv العنان لموجة من الآليات المقترحة لإمكانية إنتاج المادة المظلمة للإشارة. ستظل النيوترينوات فائقة الكتلة خفيفة، مقارنة ب«الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل». ووفقًا للنظريات المتعارف عليها، سوف يجعلها ذلك «دافئة»، ولن يجعلها متوافقة مع نماذج تطور الكون، لكن آبازاجيان يقول إنه من الممكن أن تكون النيوترينوات الثقيلة الباردة قد أُنتجت في بدايات الكون، وأن هذه الجسيمات يمكنها التوافق مع أفضل النماذج الحالية لتكوين المجرات، بصورة أفضل من «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل» في بعض الحالات (انظر، على سبيل المثال، ). ويرى أن «معجزة الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل دقيقة نظريًّا»، لكن النيوترينو الثقيل يحل معظم المشكلات التي تحلها «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل». ومن ثم، يرى دودلسون أن إيجاد دليل على وجود نيوترينو ثقيل «قد يحقق ثورة حقًّا» في هذا المجال. ومع ذلك.. فمحاولات الفرق البحثية الحالية التي حاولت تكرار نتيجة الباحثة إسرا بلبل ما زالت نجاحات تعتريها الشوائب. ومن ضمن بدائل «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل»: جسيم الأكسيون، وهو جسيم افتراضي، اقترحه الباحثون في السبعينات، يتحول عفويًّا إلى فوتونات في مجال مغناطيسي، مما يوفر وسيلة للكشف عنها. وبالرغم من فشل القليل من التجارب، يقوم حاليًّا فريق بحث فيزيائي بقيادة ليزلي روزنبرج من جامعة واشنطن بسياتل برفع درجة حساسية تجربة أكسيون المادة المظلمة، حيث يؤمن الفريق بأن هذه التجربة ستثبت حقيقة جسيم الأكسيون، أو تنفيها.
من ناحية أخرى، لم يفقد روزنبرج الأمل في «الجزيئات الهائلة ضعيفة التفاعل»، لكنه يقول إن «هناك جدلًا شديدًا حول تلك الجزيئات الخاصة بالمادة المظلمة. وقبل أن يحتدم الجدل، سنحتاج إلى أن نتحرى الدقة في مجموعات بيانات المصادم الهادروني الكبير».
هذا المحتوى يُنشر بالتعاون مع مجلة «نيتشر» الطبعة العربية
اشترك الآن لتصلك أهم الأخبار لحظة بلحظة