بحث المادة المظلمة الأكسيونية

تخيّل مذياعًا بمقبض ضبط واحد يحرّك كل الملفات الداخلية في آن واحد، كأنها كائن واحد. هكذا صُمّمت الأداة الجديدة للبحث عن الأكسيون، الجسيم الذي قد يملأ المجرات كتلةً غير مرئية. داخل أسطوانة نحاسية بحجم علبة قهوة تختبئ قضبان من أكسيد الألومنيوم. وإدارة العمود تجعلها تتقارب أو تتباعد بتزامن، فتتغيّر بذلك الترددات التي يُضبط عليها المرنان.

في قبو المختبر، يُصدر مغناطيس بقوة 8 تسلا طنيناً. داخله، مثل جرس في برج جرس، يعلق أسطوانة نحاسية مجوفة مضبوطة على نغمة واحدة فريدة. إذا مرّ أكسيون قريباً، وهو جسيم من المادة المظلمة، تستجيب الأسطوانة برنين خافت. المشكلة أن النحاس العادي يخمد هذا الرنين: عند الترددات العالية، يسري التيار فقط في طبقة رقيقة من سطح المعدن، فتزداد الخسائر.

الغابة الليلية مليئة باليراعات، لكننا في السابق كنا نرى فقط تلك التي صادف وجودها في شعاع المصباح اليدوي. هكذا كان الحال مع مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع، وهي نقاط في مجرات أخرى تتوهج في الأشعة السينية بشكل أكثر سطوعًا مما يمكن أن يشعه ثقب أسود نجمي الكتلة بشكل مستقر.

264 كيلومترًا في الثانية — بهذه السرعة ينطلق النظام الشمسي عبر سحابة من المادة المظلمة. كشفت المجرات عن وجودها: كانت تدور بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا تستطيع الكتلة المرئية احتجازها، وكانت Vera Rubin أول من اشتبه في وجود هيكل خفي. ولكن المشكلة: وابل من النيوترينوات ينهمر أيضًا على الكواشف.

المنارة في البحر المفتوح لا تدور فقط — بل مصباحها نفسه يخفت ويشتعل من تلقاء نفسه. تقريبًا هكذا تتصرف الأقزام البيضاء المغناطيسية، وهي بقايا نجوم فائقة الكثافة مثل شمسنا. يمكن لمجالاتها المغناطيسية القوية تحويل الضوء إلى أكسيونات — جسيمات افتراضية قد تفسر الكتلة الخفية للكون.

قبل نصف قرن، لاحظ Фриц Цвикки أن المادة المرئية في تجمعات галактик غير كافية بشكل كارثي لتفسير الجاذبية. ونعلم اليوم أن جزءًا كبيرًا من المادة العادية — وهي الباريونات نفسها — يختبئ في بلازما متخلخلة بين النجوم والمجرات، في شبكة عملاقة من водорода وгелия.

في ظلام دامس داخل حجرة مفرغة، يطفو مغناطيس صغير. لا يلامس الجدران ولا يفقد طاقة تقريبًا — حارس مثالي جاهز لالتقاط أضعف دفعة. هذا هو الحارس الذي نحتاجه لاصطياد الأكسيونات. هذه الجسيمات هي المشتبه بهم الرئيسيون في قضية الكتلة الخفية للكون، والتي نسميها المادة المظلمة. في السابق، كانت مثل هذه الكواشف تشبه أذنًا حساسة تسمع نغمة واحدة فقط.

الكون ممتلئ بكتلة غير مرئية — المادة المظلمة، التي افترض وجودها لأول مرة فريتز زفيكي في ثلاثينيات القرن العشرين، عندما لاحظ حركة المجرات في العناقيد.

شبيهة بأجرام معلقة في سرير الطفل بخيوط تستجيب لأي هبة هواء، الكواكب التي تدور في مدارات واسعة جداً بالكاد تمسكها جاذبية نجمها — فتحس بأدنى «نسمات جاذبية». اقترح الفلكيون تحويل هذه الكواكب إلى كواشف لـالمادة المظلمة. هذه المادة الخفية لا تشع ضوءاً، لكنها بجاذبيتها تتحكم في حركة النجوم والمجرات.

بحر يخترق كل الفضاء يظل غير مرئي لنا. هذا البحر هو المادة المظلمة، والأمواج على سطحه هي جسيمات تُدعى الأكسيونات. إنها خفيفة ومراوغة لدرجة أنها تمر عبر الأرض دون أن تلاحظها. ولكن إذا اصطدمت هذه الأمواج بشاطئ مصنوع من مادة خاصة، فقد تترك أثرًا — تيارًا كهربائيًا ضئيلًا. هذا الشاطئ بالضبط يقترح العلماء بناؤه.

يعمل المترجم في قاعة صاخبة. همهمة الأصوات، وقع الأكواب، ومقتطفات من محادثات الآخرين — يبدو أنه لا بد أن يخطئ باستمرار. لكن بنهاية اليوم، تتطابق ملاحظاته تمامًا مع تلك التي كان سيدوّنها في هدوء مكتبه. هذا تقريبًا سلوك القاعدة الكمومية التي يسميها الفيزيائيون "الشذوذ المحوري" (axial anomaly). فهي تنص على أن تيارًا معينًا من الشحنة قد يختفي حتى حيث تعد الفيزياء الكلاسيكية بحفظه.

بدأت القصة بحيرة: في ثلاثينيات القرن العشرين، لاحظ فريتز زفيكي أن عناقيد المجرات تتصرف وكأنها تخفي كتلة هائلة غير مرئية. وبعد نصف قرن، أكدت فيرا روبين ذلك — فالنجوم عند أطراف المجرات تدور بسرعة أكبر من أن تمسكها المادة المرئية وحدها. هكذا وُلد لغز المادة المظلمة — الهيكل الخفي للكون.

المادة المظلمة — مادة غير مرئية لا تكشف عن نفسها إلا من خلال تأثيرها الجاذبي: فهي تحني ضوء المجرات البعيدة، مثل نافذة خفية تغيّر مسار الأشعة. أول من أظهر وجودها بشكل مقنع كانت فيرا روبين، التي قاست سرعات دوران النجوم في المجرات واكتشفت أنها تتحرك بسرعة كبيرة — وكأن كتلة إضافية غير مرئية تمسك بها.

بدأت القصة قبل قرن تقريباً، عندما أظهر إدوين هابل أن المجرات تتباعد، ثم أدرك فريتز زويكي وفيرا روبين لاحقاً: لتفسير حركاتها، لا بد من وجود كتلة غير مرئية — المادة المظلمة.

منارة تدور في ضباب كثيف. شعاعها يخترق العتمة، لكن الضباب نفسه يبقى غير مرئي. هكذا تقريبًا يبحث علماء الفلك عن المادة المظلمة: فهي لا تصدر ضوءًا، لكنها قادرة على التأثير في الإشارات التي تصل إلينا. في دراسة جديدة، حوّل العلماء خمسين نجمًا نابضًا — نجومًا نيوترونية سريعة الدوران — إلى هوائي موزّع عملاق لالتقاط «تنفس» المادة المظلمة الأكسيونية.

عندما يمر الضوء بالقرب من ثقب أسود، يقع في مصيدة جاذبية قوية: مسار الفوتونات ينحني بشدة لدرجة أن الجسيمات تبدأ في التخبط في مدارات شبه مغلقة، مثل كرات في لعبة الكرة والدبابيس.

الكون مليء بمادة غير مرئية تتحكم في حركة المجرات. في سبعينيات القرن الماضي، أظهرت عالمة الفلك فيرا روبين أنه بدون المادة المظلمة، لكانت النجوم في أطراف المجرات قد تفرقت منذ زمن بعيد. لكن مما تتكون هذه المادة، لا يزال مجهولاً. تقترح إحدى الفرضيات أن المادة المظلمة هي سحب من جسيمات فائقة الخفة، تغلف الثقوب السوداء.

المادة المظلمة غير مرئية، لكن جاذبيتها تتحكم في حركة المجرات. مما تتكون؟ لغز. إحدى الأفكار: إنها جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. في الظروف العادية لا تظهر نفسها تقريبًا، لكن في محيط الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن تتحلل إلى فوتونين — مثل عود ثقاب لا يشتعل إلا بلهب مشتعل بالفعل.

في مدينة صاخبة، يحاول المرء سماع صوت صرصور الليل. إنه هادئ، بينما تزأر السيارات حوله. لالتقاط صوته، نضع ميكروفونًا حساسًا ونضغط على زر تقليل الضوضاء. هذه هي الفكرة تقريبًا في مطاردة الفيزيائيين للأكسيونات — جسيمات افتراضية قد تكون هي المادة المظلمة التي تربط المجرات ببعضها. الأكسيونات، إن وُجدت، لا تكاد تتفاعل مع المادة العادية.

حلقة صغيرة من موصل فائق، مبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، قد تستشعر لمسة جسيم أخف بمليارات المرات من الإلكترون. الحديث هنا عن الأكسيون — الجسيم الافتراضي الذي قد يشكل المادة المظلمة المالئة للكون.

في مصادم الهادرونات الكبير، تصطدم البروتونات بسرعة تقارب سرعة الضوء. أحيانًا لا تتحطم، بل تتبادل فوتونات — جسيمات الضوء. هذه الفوتونات يمكن أن تولد زوجًا: جسيمًا يراه الكاشف، وآخر يطير دون أن يُلاحظ. هذه العملية تشبه لعبة البلياردو، حيث بعد الضربة تبقى كرة على الطاولة وتختفي الأخرى في الجيب دون أن تترك أثرًا.

الكاون جسيم طويل العمر بمقاييس العالم الصغير: يعيش لأجزاء من مليار من الثانية قبل أن يتفكك إلى جسيمات أخف. في تجربة KOTO في اليابان، يلتقط الباحثون أندر أشكال هذا الاضمحلال. أحدها عندما يتحول الكاون إلى بيونين متعادلين وجسيم X آخر، يضمحل فورًا إلى فوتونين (جسيمات الضوء). النموذج القياسي — أفضل خريطة حتى اليوم لعالم الجسيمات الأولية — لا يتنبأ بجسيم X كهذا.

الثقوب السوداء ليست مجرد هواتٍ صامتة، بل شوكات رنّانة طبيعية. دورانها السريع، الذي تنبأ به روجر بنروز، يجعل الزمكان نفسه يغنّي، مولّدًا تيارًا من أخفّ الجسيمات - الأكسيونات. تتراكم هذه الجسيمات حول الثقب، كما يتردّد الصوت في قاعة حفلات، وتبدأ في الاهتزاز بتناغم.

في أعماق منجم كندي، يوجد برميل يحتوي على 3269 كيلوغرامًا من الأرجون السائل، وهو سائل شفاف يشبه الماء شديد البرودة. هذا البرميل هو كاشف DEAP-3600، ومهمته اصطياد جسيمات المادة المظلمة التي يُعتقد أنها تخترق الكون بأكمله، لكنها بالكاد تتفاعل مع المادة العادية. خلال 790.8 يومًا من المراقبة، لم يسجل الكاشف أي إشارة مقنعة من المادة المظلمة.

في جبال الألب السويسرية يوجد عمود رأسي عميق يمتد 800 متر تحت الأرض — أي ما يعادل ناطحتي سحاب موضوعتين فوق بعضهما البعض. وبجانبه يمر نفق للسكك الحديدية، تمر فيه القطارات يوميًا محدثةً ضجيجًا. لكن داخل العمود يسود هدوء تام، كهدوء مكتبة في منتصف الليل. أحضر العلماء إلى هناك أجهزة استشعار حساسة، وعلى مدى شهر كامل استمعوا إلى ارتجاف الأرض وما يحدث للحقول الكهربائية.

الكون محمول بهيكل غير مرئي من المادة المظلمة — مادة غامضة لا تظهر إلا من خلال الجاذبية. ربما يكون جزء منها فوتونات مظلمة، نسخ شبحية افتراضية للفوتونات العادية، لا تتفاعل تقريبًا مع المادة وتخترقها كما يخترق الضوء الزجاج.

في أعماق جبال الأبينيني الإيطالية، تحت طبقات الصخور، توجد بلورة تلتقط كل اضمحلال للأمريسيوم المشع. يصدر الأمريسيوم أشعة غاما بطاقة 59.5 كيلو إلكترون فولت — مثل رنين حاد جدًا يظل صوته ثابتًا دائمًا. لو كانت الأكسيونات — وهي جسيمات افتراضية للمادة المظلمة — تمر عبر البلورة، فقد يتغير هذا الرنين قليلًا في بعض الأحيان.

في كاشف المادة المظلمة، يلعب الغاز دور الفيلم الفوتوغرافي: الجسيم العابر يترك أثرًا من الإلكترونات والأيونات الحرة. لكن مدى سطوع هذا الأثر يعتمد على كيفية فقدان الجسيم للطاقة في الغاز. بالنسبة للأيونات الخفيفة مثل الفلور، كانت البيانات حتى الآن غير دقيقة. قامت مجموعة من جامعة كاناغاوا ببناء غرفة خاصة تحتوي على أسلاك، مملوءة بغاز CF4 عند ضغط 0.06 ضغط جوي فقط.

يمر ضوء النجم HD 163296 عبر القرص الغباري المحيط به، كما يمر شعاع مصباح يدوي عبر ماء عكر. تعمل جزيئات القرص على تشتيت الضوء، فيكتسب خاصية خاصة وهي الاستقطاب (polarization): تبدأ الموجات بالاهتزاز في مستوى واحد، مثل حبل يُهزّ عموديًا تمامًا.

في غرفة مظلمة داخل الكاشف، ينتظر الأرجون. عندما يمر عبره جسيم غير مرئي — مثل مرشح محتمل للمادة المظلمة — يدفع نواة الأرجون بدفعة خفيفة. تتحرك النواة من مكانها، وتتولد حولها شحنات. وكمية هذه الشحنات ليست سؤالًا عابرًا: فبعددها يحكم الفيزيائيون على نوع الزائر الذي مرّ. منشأة ReD هي خزان من الأرجون السائل، أُدخلت إليه نيوترونات من مصدر كاليفورنيوم. تصطدم النيوترونات بنوى الأرجون كما تصطدم كرة البلياردو بأخرى.

في قلب جبال الألب، على عمق نحو مئة متر، يقع مصادم الهادرونات الكبير (LHC) — أكبر مسرّع للجسيمات المشحونة في العالم. من وقت لآخر، تسجل كاشفاته ارتفاعات مفاجئة وغير مفسرة في الإشارات، أطلق عليها الباحثون اسم UFO (أجسام متساقطة غير محددة).

رصاصة لا تخترق هدفًا واحدًا فحسب، بل تترك أثرًا في عدة طبقات من الدروع. هذا تقريبًا سلوك المادة المظلمة فائقة الثقل، التي تم البحث عنها لأول مرة في كاشف DarkSide-50. المرشحون المعتادون للمادة المظلمة — الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMP) — تمر عبر المادة بشكل شبه غير مرئي، وتصطدم أحيانًا بالأنوية.

رنان معدني مبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق، يُصغي إلى ضجيج الراديو الكوني. وسط فوضى الاهتزازات الحرارية والإلكترونيات، قد يظهر قمة ضعيفة — أثر الأكسيون، الجسيم الذي ربما يشكل المادة المظلمة. في تجربة سابقة، لاحظوا زيادة في الإشارة عند تردد حوالي 1.036 جيجاهرتز لم يمكن تفسيرها فورًا. جزء من البيانات فقد حينها بسبب إعدادات غير محفوظة للجهاز.

الوعاء على الموقد يطن عندما يغلي الماء فيه. الكوب النحاسي الفارغ يمكنه أيضًا أن «يطن» — على تردد موجات راديوية، إذا وُلد بداخله جسيم من المادة المظلمة. تسمى هذه الجسيمات أكسيونات، وهي وفق إحدى الفرضيات تملأ المجرة بأكملها بسحابة غير مرئية. داخل التجويف المعدني، يتحول الأكسيون أحيانًا إلى فوتون (photon) — جسيم ضوء.

المادة المظلمة هي الهيكل الجذبوي غير المرئي الذي يمنع المجرات من التمزق بفعل القوة الطاردة المركزية. في ثلاثينيات القرن العشرين، اكتشف فريتز زفيكي، أثناء تحليله لحركة المجرات في عنقود الهلبة (Coma Cluster)، سرعات عالية بشكل غير طبيعي تتطلب كتلة إضافية.

ليزر الأشعة السينية LCLS-II في كاليفورنيا يطلق ومضات قصيرة وقوية — مثل آلة الوميض في قاعة الرقص. بين الومضات تبقى فترات مظلمة طولها 26.9 نانوثانية (أجزاء من مليار من الثانية). في هذه الفترات تحديدًا يريد الفيزيائيون اصطياد المادة المظلمة — المادة الغامضة التي لا تشع لكنها تجذب المادة العادية بجاذبيتها.

في كاشف BESIII، تؤدي الجسيمات عرضًا مسرحيًا: تتصادم، وتولد، وتضمحل، تاركة ومضات من الضوء. لكن في بعض الأحيان قد يغادر الممثل المسرح دون أن يلاحظه أحد — عبر باب سري لا تراه الكاميرات. بحث الفيزيائيون عن مثل هذه الاضمحلالات "الصامتة"، عندما يتحول الجسيم إلى شيء غير مرئي للأجهزة. للقيام بذلك، استخدموا عشرة مليارات حدث مع جسيم J/ψ — وهذا يشبه النظر إلى عشرة مليارات صورة لنفس اللحظة.

المادة المظلمة هي مادة غامضة تزيد كتلتها خمس مرات عن المادة العادية، لكنها لا تصدر ولا تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي. ولا يزال طبيعتها أحد أكبر الألغاز غير المحلولة في الفيزياء. ومن بين المرشحين لجسيمات المادة المظلمة نجد الأكسيونات، وهي جسيمات فائقة الخفة قادرة على اختراق كوكب بأكمله دون أن تتفاعل تقريبًا مع الذرات.

المادة المظلمة هي مادة غير مرئية تربط المجرات ببعضها لكنها لا تصدر ضوءًا. التقاط جسيماتها يشبه سماع همس في قاعة صاخبة. الكاشفات العادية لا تسمع إلا الضربات العالية، بينما تغرق الإشارات الضعيفة في الضوضاء. في الأرجون السائل، عندما يصطدم جسيم المادة المظلمة بنواة ذرة، يُحدث شرارة ضوئية وسحابة من الشحنات. لكن عند الارتطام الضعيف، تكون الشرارة خافتة بالكاد.

المغناطيس المثبت على الثلاجة يعتمد على إبر داخلية صغيرة جدًا، كل منها يشبه بوصلة مصغرة. إذا ضربنا المعدن بومضة ضوء قصيرة جدًا، تبدأ هذه الإبر في التحرك بشكل عشوائي، وتختفي المغناطيسية خلال جزء من مليون من مليار جزء من الثانية. في السابق، كان هذا "الاختفاء" أسرع من أن يُرى. الآن ظهرت أشعة ليزر سينية تُطلق ومضات أقصر من الزمن الذي يستغرقه خطوة واحدة للذرة.