يمكن لطريقة اكتشاف المادة المظلمة باستخدام تقنية الكرات المحلقة أن تصل إلى حساسية غير مسبوقة لجزيئات المادة المظلمة الخفيفة.
الشكل 1: يتكون مخطط اكتشاف المادة المظلمة الذي اقترحه Afek وزملاؤه من كرات نانوية (زرقاء) محفوظة في مصائد بصرية (حمراء). إذا تبعثر جسيم المادة المظلمة (السوداء) من الغلاف النانوي ، فإنه ينقل الزخم (q) إلى الغلاف النانوي. يكتشف شعاع الليزر (الأخضر) التغيير في موضع الغلاف النانوي الناجم عن نقل الزخم هذا.
تمثل المادة المظلمة ما يقرب من 85٪ من الكتلة الكلية في الكون ، ومع ذلك تظل مكوناتها غير معروفة. يتطلب حل هذا اللغز مجموعة واسعة من التجارب التي يمكنها اكتشاف مكونات المادة المظلمة ذات الكتل والتفاعلات المختلفة. الآن ، اقترح Gadi Afek من جامعة Yale وزملاؤه كاشفًا معمليًا يختلف اختلافًا جذريًا عن التجارب الحالية . يعمل الكاشف عن طريق قياس الزخم الذي يتم نقله عندما تتناثر جسيمات المادة المظلمة عن المجالات النانومترية المحصورة بصريًا. يوفر هذا النهج طريقة جديدة تمامًا للبحث عن جسيمات المادة المظلمة الخفيفة ذات الكتل التي تصل إلى كسور من كتلة الإلكترون.
لعقود من الزمان ، كانت الأساليب التجريبية لاكتشاف المادة المظلمة مدفوعة بالنظرية. كانت الجسيمات الافتراضية التي تسمى الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) نتيجة ثانوية للعديد من النظريات التي تم تطويرها لتوسيع النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. تظل WIMPs قابلة للحياة وذات دوافع جيدة مرشحة للمادة المظلمة بكتل تزيد عن 1Gev/c2
(تقريبًا كتلة البروتون). الجسيمات الافتراضية الأخرى المعروفة باسم الأكسيونات تظل جذابة للمادة المظلمة المرشحة لمجموعة من الكتل أقل من 100 ميغا بايت 100meV/c2.
عقود من البحث عن WIMPs و axions ظهرت خالي الوفاض حتى الآن. ومع ذلك ، ستشهد السنوات القليلة القادمة العديد من التجارب - مثل ADMX و LZ و XENONnT - مع الحساسية لتغطية الكثير من مساحة المتوقعة لهذه الجسيمات. هذا البيان ليس تافهاً بأي حال من الأحوال: لقد استغرق الأمر عقودًا من التطور التكنولوجي النشط للوصول إلى هذه النقطة. ولكن ماذا لو لم تكن المادة المظلمة WIMPs أو أكسيونات؟ ما هي الاحتمالات الأخرى الموجودة ، وما هي الفرص التي تنشأ لكل من بناء النموذج النظري والنهج التجريبية الجديدة؟ من الواضح أن أهمية مشكلة المادة المظلمة تفرض على العلماء تقييم المفاهيم الأخرى وإلقاء أكبر شبكة ممكنة.
لهذا السبب ، كانت هناك مقترحات جديدة وتجارب جديدة توسع حساسية الكشف لتشمل تفاعلات المادة المظلمة الأخرى ونطاقات الكتلة. بشكل ملحوظ ، بالنسبة إلى WIMPs ، فإن التجارب المخصصة - بما في ذلك SENSEI و CRESST و SuperCDMS - ابحث عن المادة المظلمة في نطاق الكتلة الأقل من عدد قليل منGev/c2. تستخدم هذه التجارب كاشفات جسيمات شديدة الحساسية ، تتراوح من رقائق CCD إلى أجهزة قياس المسعرات المبردة. تم تنفيذ العمل التمهيدي أيضًا ، على سبيل المثال ، أجهزة الكشف التي تحتوي على هيليوم السائل الفائق الذي يمكنه تمييز الكميات الصغيرة من الاهتزازات الشبكية البلورية المتولدة عندما يصطدم جسيم المادة المظلمة بنواة ذرية مستهدفة في الكاشف. تم تحسين كل هذه الطرق لأدنى عتبات طاقة ممكنة ، والتي تعتبر مهمة بشكل خاص عند البحث عن المادة المظلمة الفرعية Gev/c2 .
يختلف نهج Afek وزملائه اختلافًا جذريًا (الشكل 1). بدلاً من قياس الطاقة الممنوحة عندما تشتت المادة المظلمة من الهدف ، يقترح المؤلفون الكشف المباشر عن الزخم المنقولة إلى الهدف. بدلاً من استخدام أجهزة الكشف العيانية ذات الكتلة الكبيرة (عادةً بالكيلوغرامات أو حتى الأطنان المترية) ، يقترحون استخدام المجالات المرفوعة التي لا يتجاوز عرضها نانومتر. وبدلاً من استخدام أجهزة الكشف التي تعتمد على أساليب الفيزياء النووية ، فإنهم يقترحون استخدام تقنيات من الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية. الغلاف النانوي محاصر بصريًا بواسطة الليزر. ثم تُقرأ مواقعها بدقة عالية بواسطة ليزر ثان يحتوي على ضوء مضغوط - حالة ضوئية يكون فيها أحد مكونات الضوضاء الكمومية أقل من حد أساسي يسمى حد الكم القياسي. يدعو الاقتراح الخاص إلى 10 ديسيبل لتقليل الضوضاء الكمومية بالنسبة إلى حد الكم القياسي ، وهو أمر يمثل تحديًا ، ولكن تم إثبات ذلك في أنظمة مماثلة.
أدرك المؤلفون أنه يمكن ضبط حجم الغلاف النانوي المحاصر لتحسين حساسية التجربة تجاه المادة المظلمة. إذا تبعثر جسيم المادة المظلمة الفاتحة من الغلاف النانوي ، فإن الطول الموجي المرتبط بالزخم المنقول يمكن أن يكون أكبر من الغلاف النانوي. في هذه الحالة ، ستكون عملية التشتت متماسكة فوق الغلاف النانوي بأكمله: سوف يتفاعل جسيم المادة المظلمة مع جميع النوكليونات (النيوترونات والبروتونات) في الغلاف النانوي مرة واحدة. تخبرنا ميكانيكا الكم الأساسية أن احتمالية هذا التشتت تُحسب عن طريق جمع سعات تشتت المادة المظلمة والنيوكليون الفردية لكل نواة ثم تربيع النتيجة. لذلك ، فإن احتمالية التشتت تتناسب مع مربع عدد النكليونات. بالنسبة للغلاف النانوي الذي يحتوي على 106 نيوكليونات ، يتم تعزيز الاحتمال بعامل ضخم (1012). هذا التأثير ، جنبًا إلى جنب مع حساسية القراءة العالية التي يوفرها الضوء المضغوط ، يفسر الوعد المذهل للطريقة المقترحة.
ومع ذلك ، لكي تكون التجربة حساسة للمادة المظلمة ، لا يكفي أن تكون قادرm على اكتشاف إشارات المادة المظلمة. بشكل حاسم ، تحتاج التجربة أيضًا إلى أن تكون قادرة على قمع أو تمييز جميع الخلفيات ذات الصلة التي من شأنها أن تحاكي إشارة المادة المظلمة. يبذل Afek وزملاؤه قصارى جهدهم لتقدير الخلفيات المعروفة لأغلفة النانو الخاصة بهم. وجدوا أن التفاعلات بين جزيئات الغاز المتبقية والأغلفة النانوية يمكن تحملها في فراغ فائق الارتفاع يمكن تحقيقه بشكل روتيني ؛ أن الضوضاء الحرارية مقبولة في درجات الحرارة المبردة المعتدلة ؛ وأن بعض الخلفيات الأخرى لا ينبغي أن تغمر إشارة المادة المظلمة.
ستحد الخلفيات من حساسية التجربة المقترحة وستقود تصميمها وتشغيلها. على سبيل المثال ، لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء ، ستحتاج التجربة إلى توسيع نطاقها إلى مجموعة كبيرة من الأغلفة النانوية. ومع ذلك ، فإن الآفاق مثيرة. في حالة رؤية الإشارات ، يمكن فصل أصل المادة المظلمة عن المشغولات الآلية أو الخلفيات الأخرى من خلال طيف الزخم الخاص بها ومن خلال اعتمادها على مادة الغلاف النانوي. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن الأرض تكمل دورة واحدة كل يوم ، فمن المتوقع أن يُظهر اتجاه الزخم الذي تمنحه المادة المظلمة تعديلًا يوميًا ، والذي سيكون بمثابة مسدس دخان لتشتت المادة المظلمة.
يبقى أن نرى ما إذا كانت كل هذه التوقعات صحيحة ؛ التجربة المقترحة ليست سهلة بأي معيار ، والمتطلبات المتعلقة بحساسية الإشارة والتحكم في الخلفية شديدة. ومع ذلك ، فإن المؤلفين جزء من مجتمع صغير ولكنه متنامٍ يسعى إلى اتباع طرق اكتشاف مبتكرة ، مستغلًا التقدم في الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية لمعالجة مشكلة المادة المظلمة >
ستكون السنوات القليلة القادمة مثيرة للغاية. بينما تستكشف التجارب التقليدية المناطق الواعدة في WIMP ومساحات الأكسيون ، يتم اقتراح مخططات اكتشاف جديدة تمامًا ، مع تحسينات تحويلية محتملة لحساسية التجارب تجاه المادة المظلمة.
المصدر