لا يعرف الفلكيون ماهية المادة المظلمة ، لكنهم يعرفون أنها تستهلك حوالي 25٪ من الكون. قد يكون كاشفًا قويًا ، عميقًا تحت الأرض في مناجم في مينيسوتا ، قادرًا على الوصول إلى الجزء السفلي من الغموض. سيحاول مشروع Cryogenic Dark Matter Search II اكتشاف الجزيئات الضخمة المتفاعلة بشكل ضعيف (ويعرف أيضًا باسم WIMPS). لا تتفاعل هذه الجسيمات النظرية عادةً مع المادة ، ولكن قد يكون التصادم النادر أحيانًا قابلاً للكشف.
يقول كابريرا: "من الأصعب والأكثر صعوبة الابتعاد عن حقيقة أن هناك مادة تشكل معظم الكون لا يمكننا رؤيته". "النجوم والمجرات نفسها تشبه أضواء شجرة عيد الميلاد على هذه السفينة الضخمة المظلمة ولا تمتص ولا تنبعث منها الضوء."
مدفون عميقًا تحت الأرض في عمود منجم في ولاية مينيسوتا يكمن في مشروع Cabrera ، المسمى Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). يعمل الفيزيائي برنارد سادوليت الفيزيائي بجامعة كاليفورنيا-بيركلي كمتحدث باسم هذا الجهد. دان باور من فيرميلاب هو مدير المشروع ، ودان أكريب من جامعة كيس ويسترن ريزيرف هو نائب مدير المشروع. يتعاون فريق من 46 عالما في 13 مؤسسة في المشروع.
للقبض على WIMP
التجربة هي الأكثر حساسية في العالم التي تهدف إلى الكشف عن الجسيمات الغريبة المسماة WIMPS (الجسيمات الضخمة المتفاعلة الضعيفة) ، والتي تعد واحدة من أفضل التخمينات للعلماء حول ما يشكل المادة المظلمة. تشمل الخيارات الأخرى النيوترينوات ، الجسيمات النظرية التي تسمى أكسيونات أو حتى المواد الطبيعية مثل الثقوب السوداء والنجوم القزمة البنية التي تكون باهتة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها.
يعتقد أن WIMPS محايد في الشحن ويزن أكثر من 100 مرة كتلة البروتون. في الوقت الحالي لا توجد هذه الجسيمات الأولية إلا نظريًا ولم يتم ملاحظتها أبدًا. يعتقد العلماء أنهم لم يعثروا عليها بعد لأن من الصعب للغاية التقاطها. لا تتفاعل WIMPS مع معظم المواد - الجسيمات الخجولة تمر مباشرة عبر أجسامنا - لكن CDMS II تهدف إلى الإمساك بها في تصادم نادر مع الذرات في أجهزة الكشف الخاصة بالمشروع.
يقول كابريرا: "تمر هذه الجسيمات في الغالب عبر الأرض دون تشتت". "السبب الوحيد الذي لدينا حتى فرصة لرؤية الأحداث هو أنه [هناك] الكثير من الجسيمات التي نادرًا ما يأتي أحدها [إلى الكاشف] وينتشر".
تكون أجهزة الكشف مخفية تحت طبقات من الأرض في منجم سودان في مينيسوتا لحمايتها من الأشعة الكونية والجسيمات الأخرى التي قد تصطدم بالكاشفات وتظن خطأ أنها مادة مظلمة. في الواقع ، نصف معركة العلماء الذين يعملون على CDMS II هي حماية أدواتهم قدر الإمكان من كل شيء ما عدا WIMPS وتطوير أنظمة معقدة لتحديد الفرق بين المادة المظلمة والمزيد من الجسيمات الدنيوية.
يقول Walter Ogburn ، وهو طالب دراسات عليا في جامعة ستانفورد يعمل في المشروع: "كاشفنا هو هذا الشيء على شكل الهوكي الذي يحتاج إلى العيش عند 50 ألفًا من درجة فوق الصفر المطلق". "من الصعب جعل الأمور بهذه البرد."
تحقيقا لهذه الغاية ، يتم وضع الأدوات في علبة تسمى علبة الثلج ، مبطنة بست طبقات من العزل ، من درجة حرارة الغرفة في الخارج إلى أبرد في الداخل. هذا يحافظ على الكواشف باردة جدًا لدرجة أن الذرات لا يمكنها الارتعاش.
الكواشف مصنوعة من بلورات السيليكون الصلبة والجرمانيوم الصلب. لا تزال ذرات السيليكون أو الجرمانيوم ثابتة في شبكة شعرية مثالية. إذا اصطدمت WIMPS بها ، فسوف تهتز وتطلق حزم صغيرة من الحرارة تسمى الفونونات. عندما ترتفع الفونونات إلى سطح أجهزة الكشف ، فإنها تخلق تغييرًا في طبقة حساسة جدًا من التنجستن ، والتي يمكن للباحثين تسجيلها. دائرة ثانية على الجانب الآخر من الكاشف تقيس الأيونات والجسيمات المشحونة التي سيتم إطلاقها من تصادم WIMP وذرة في الكاشف.
يقول أوغبورن: "تسمح هاتان القناتان بالتمييز بين أنواع مختلفة من التفاعلات". "بعض الأشياء تجعل التأين أكثر وبعضها أقل ، لذا يمكنك معرفة الفرق بهذه الطريقة."
يستغرق الأمر مجموعة من العلماء في مرافق متعددة لبناء أجهزة الكشف. يشتري الفريق البلورات من شركة خارجية ، ويصنع الباحثون في مركز ستانفورد للأنظمة المتكاملة أدوات قياس على أسطح أجهزة الكشف. يقول مات بايل ، وهو طالب دراسات عليا آخر في مختبر كابريرا: "نستخدم نفس الأشياء لصنع هذه الأشياء التي يستخدمها الناس لصنع معالجات دقيقة لأنها أيضًا فائقة الصغر".
مجموعات القرائن
مجموعة فرعية من WIMPS ، تسمى المحايدة ، هي الجسيمات الأخف التي يتوقعها التناظر الفائق ، وهي نظرية تتوقع زميلًا لكل جسيم لاحظناه بالفعل. إذا نجح CDMS II في العثور على محايدون ، فسيكون هذا أول دليل على التناظر الفائق. يقول Cabrera: "يشير التناظر الفائق إلى وجود قطاع آخر كامل من الجسيمات التي هي شركاء الجسيمات الموجودة لدينا". "هناك العديد من الطرق التي يبدو فيها التناظر الفائق محتملًا جدًا. ولكن لا يوجد دليل مباشر حتى الآن على أي زوج جسيمات متطابق [فائق التناظر] ".
إن التفاعلات الضعيفة لـ WIMPS هي السبب في أنه على الرغم من أن جزيئات المادة المظلمة لها كتلة وتطيع قوانين الجاذبية ، إلا أنها لا تتجمع في المجرات والنجوم مثل المادة الطبيعية. من أجل التكتل ، يجب أن تتحطم الجسيمات وأن تلتصق ببعضها البعض. لكن WIMPS غالبًا ما تطير بجانب بعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك ، لأن WIMPS محايدة ، فهي لا تشكل ذرات ، مما يتطلب جذب البروتونات الموجبة الشحنة إلى الإلكترونات المشحونة سلبًا.
يقول كابريرا: "تتغلغل المادة المظلمة في كل شيء". "إنها لم تنهار أبدا كما فعلت الذرات."
نظرًا لأن المادة المظلمة لم تشكل أبدًا نجومًا وأشياء سماوية مألوفة أخرى ، لم يعرف العلماء لفترة طويلة أنها موجودة. جاء أول مؤشر لوجودها في ثلاثينيات القرن الماضي عندما لاحظ فريتز زويكي ، عالم الفلك السويسري الأمريكي ، تجمعات من المجرات. لقد جمع كتل المجرات ولاحظ أنه لم يكن هناك ما يكفي من الكتلة لمراعاة الجاذبية التي يجب أن توجد لتجمع العناقيد مع بعضها. شيء آخر يجب أن يوفر الكتلة المفقودة ، استنتج.
في وقت لاحق من السبعينيات ، قامت فيرا روبن ، عالمة الفلك الأمريكية ، بقياس سرعات النجوم في مجرة درب التبانة والمجرات القريبة الأخرى. وبينما كانت تنظر أبعد نحو حواف هذه المجرات ، وجدت أن النجوم لا تدور ببطء أكثر كما توقع العلماء. يقول كابريرا: "لم يكن لذلك أي معنى". "الطريقة الوحيدة لفهمها هي أنه إذا كان هناك كتلة أكبر بكثير مما رأيته في ضوء النجوم."
على مر السنين ، تراكم المزيد من الأدلة على المادة المظلمة. على الرغم من أن العلماء لا يعرفون حتى الآن ما هو ، إلا أن لديهم فكرة أفضل عن مكانه وكم يجب أن يكون. يقول كابريرا: "لا تزال هناك مساحة متذبذبة قليلة جدًا للحصول على كميات مختلفة".
يقول: "لم نر أي شيء يبدو كإشارة مثيرة للاهتمام حتى الآن". لكن الباحثين في CDMS II يواصلون البحث. لذا ، أيضًا ، افعل مجموعات أخرى. تهدف ZEPLIN ، وهي تجربة يديرها علماء الفيزياء في جامعة كاليفورنيا - لوس أنجلوس ومملكة المتحدة Dark Matter Collaboration ، إلى التقاط WIMPs في أحواض سائلة من زينون في منجم بالقرب من شيفيلد ، إنجلترا. وفي القطب الجنوبي ، هناك مشروع بجامعة ويسكونسن-ماديسون يسمى IceCube قيد الإنشاء والذي سيستخدم أجهزة استشعار بصرية مدفونة في أعماق الجليد للبحث عن النيوترينوهات والجسيمات عالية الطاقة التي تعتبر توقيعات لإبادة WIMP.
وفي الوقت نفسه ، يستمر CDMS II في التطور. يقوم باحثوها ببناء أجهزة كشف أكبر وأكبر لزيادة فرصهم في العثور على WIMPS. يأمل الفريق في المستقبل في بناء كاشف وزنه 1 طن يمكنه اكتشاف العديد من أكثر أنواع WIMPS المحتملة ، إن وجدت. يقول أوغبورن: "نحن نأخذ البيانات الآن بأكثر من ضعف الكتلة المستهدفة من الجرمانيوم مما كان لدينا من قبل ، لذلك نحن بالتأكيد نستكشف منطقة جديدة في الوقت الحالي". "ولكن هناك الكثير لتغطيته."
المصدر الأصلي: بيان صحفي ستانفورد
