البحث عن المادة المظلمة خفيفة الوزن

إذا أو عندما يتلقى مشروع SLAC المخطط له، تجربة المادة المظلمة الخفيفة (LDMX)، التمويل – ومن المتوقع صدور قرار من وزارة الطاقة في العام المقبل أو نحو ذلك – فسوف يقوم بالبحث عن المادة المظلمة الخفيفة. تم تصميم التجربة لتسريع الإلكترونات نحو هدف مصنوع من التنغستن في المحطة النهائية أ. وفي الغالبية العظمى من الاصطدامات بين إلكترون متسارع ونواة التنغستن، لن يحدث شيء مثير للاهتمام. لكن نادرًا – بمعدل مرة واحدة كل 10.000 تريليون ضربة، في حالة وجود المادة المظلمة الخفيفة – يتفاعل الإلكترون مع النواة عبر القوة المظلمة غير المعروفة لإنتاج مادة مظلمة خفيفة، مما يستنزف طاقة الإلكترون بشكل كبير.

إن 10000 تريليون هو في الواقع السيناريو الأسوأ للمادة المظلمة الخفيفة. إنه أدنى معدل يمكنك من خلاله إنتاج المادة المظلمة لمطابقة قياسات الآثار الحرارية. لكن شوستر يقول إن المادة المظلمة الخفيفة قد تنشأ بمعدل واحد من كل 100 مليار ارتطام. إذا كان الأمر كذلك، فمع معدل الاصطدام المخطط له في التجربة، “يمثل ذلك كمية هائلة من المادة المظلمة التي يمكنك إنتاجها”.

وقال نيلسون إن LDMX سيحتاج إلى التشغيل لمدة ثلاث إلى خمس سنوات للكشف بشكل نهائي عن المادة المظلمة الخفيفة أو استبعادها.

مادة مظلمة خفيفة

قام باحثون آخرون عن المادة المظلمة بضبط تجاربهم لتناسب مرشحًا مختلفًا. المادة المظلمة خفيفة الوزن تشبه الأكسيون ولكنها لم تعد ملزمة بحل مشكلة CP القوية. ولهذا السبب، يمكن أن يكون خفيف الوزن أكثر بكثير من المحاور العادية، حيث يصل وزنه إلى 10 على مليار من تريليون من كتلة الإلكترون. وتتوافق هذه الكتلة الصغيرة مع موجة ذات طول موجي واسع، مثل مجرة ​​صغيرة. في الواقع، لا يمكن أن تكون الكتلة أصغر من ذلك، لأنه إذا كانت كذلك، فإن الأطوال الموجية الأطول ستعني أن المادة المظلمة لا يمكن أن تتركز حول المجرات، كما يلاحظ علماء الفلك.

المادة المظلمة فائقة الخفة ضئيلة جدًا لدرجة أن جسيم القوة المظلمة اللازم للتوسط في تفاعلاتها يُعتقد أنه ضخم. قال شوستر: «لا يوجد اسم محدد لهؤلاء الوسطاء، لأنه خارج أي تجربة محتملة. يجب أن يكون هناك [in the theory] من أجل الاتساق، لكننا لا نقلق بشأنهم”.

تعتمد قصة أصل جسيمات المادة المظلمة الخفيفة جدًا على النموذج النظري المحدد، لكن تورو يقول إنها نشأت بعد الانفجار الكبير، لذا فإن حجة البقايا الحرارية ليست ذات صلة. هناك دوافع مختلفة للتفكير فيها. تنبع الجسيمات بشكل طبيعي من نظرية الأوتار، وهي مرشحة للنظرية الأساسية في الفيزياء. تنشأ هذه الجسيمات الضعيفة من الطرق التي يمكن بها التفاف ستة أبعاد صغيرة أو “ضغطها” في كل نقطة في عالمنا رباعي الأبعاد، وفقًا لنظرية الأوتار. قالت جيسي شيلتون، عالمة الفيزياء في جامعة إلينوي: “إن وجود الجسيمات الخفيفة الشبيهة بالأكسيونات مدفوع بقوة بأنواع عديدة من ضغطات الأوتار، وهو أمر يجب أن نأخذه على محمل الجد”.

بدلًا من محاولة إنشاء مادة مظلمة باستخدام المسرع، تستمع التجارب التي تبحث عن المحاور والمادة المظلمة خفيفة الوزن إلى المادة المظلمة التي من المفترض أنها تحيط بنا. بناءً على تأثيرات الجاذبية، يبدو أن المادة المظلمة تتوزع بكثافة بالقرب من مركز درب التبانة، لكن أحد التقديرات يشير إلى أنه حتى هنا على الأرض، يمكننا أن نتوقع أن تبلغ كثافة المادة المظلمة ما يقرب من نصف كتلة البروتون لكل سنتيمتر مكعب. تحاول التجارب اكتشاف هذه المادة المظلمة الموجودة دائمًا باستخدام مجالات مغناطيسية قوية. من الناحية النظرية، تمتص المادة المظلمة الأثيرية أحيانًا فوتونًا من المجال المغناطيسي القوي وتحوله إلى فوتون ميكروويف، والذي يمكن للتجربة اكتشافه.