خيطان جديدان في البحث عن المادة المظلمة… لكن لا اكتشاف مؤكداً بعد

يحاول العلماء الإمساك بالمادة المظلمة بطريقتين مختلفتين تماماً: تجربة تنتظر اصطدام جسيمات غير مرئية ببلورات شديدة البرودة تحت الأرض، وتحليل يبحث في السماء عن أشعة غاما قد تنتج من فناء تلك الجسيمات.

التطوران لافتان، لكن أياً منهما لا يرقى حتى الآن إلى مستوى اكتشاف للمادة المظلمة.

1. تجربة SuperCDMS تبدأ أولى جولاتها العلمية

لماذا توجد التجربة في أعماق الأرض؟

تقع تجربة SuperCDMS SNOLAB على عمق يقارب كيلومترين تحت سطح الأرض، داخل مختبر SNOLAB العميق في منجم فالي كريتون قرب مدينة سودبوري في أونتاريو الكندية. وتعمل طبقات الصخور المحيطة على تقليل تأثير الأشعة الكونية والإشعاعات الأخرى التي قد تنتج إشارات تشبه تفاعلاً حقيقياً للمادة المظلمة. 81113

ولا تكتفي التجربة بالاختباء تحت الأرض، بل تبرد بلوراتها إلى درجة شديدة الانخفاض تبلغ نحو 15 ميلي كلفن؛ أي أجزاء من الألف فوق الصفر المطلق. ويساعد هذا التبريد على خفض الضجيج الحراري، بما يتيح رصد كميات الطاقة الصغيرة جداً التي قد يودعها جسيم من المادة المظلمة عند اصطدامه بالبلورة. 1215

ما الذي تبحث عنه SuperCDMS؟

تضم التجربة 24 كاشفاً مصنوعاً من مادتين مستهدفتين: السيليكون والجرمانيوم. وتنتظم هذه الكواشف في أبراج، وتستخدم تقنيات متكاملة لقياس إشارات الحرارة والشحنة، مع السعي إلى الجمع بين عتبة طاقة منخفضة جداً والقدرة على تمييز الإشارات الخلفية. 101114

ويمنح هذا التصميم التجربة دوراً مهماً في البحث عن المرشحين خفيفي الكتلة للمادة المظلمة، وهم جسيمات قد يصعب على تجارب أكبر، مصممة لنطاقات طاقة مختلفة، رصدها بفاعلية. 69

ماذا تعني «المرحلة العلمية المبكرة»؟

بدأ جمع البيانات بعد نحو ستة أشهر من تشغيل التجربة واختبار مكوناتها. ولا تمثل هذه المرحلة الجولة النهائية ذات الحساسية القصوى؛ إذ يستخدم الباحثون بياناتها للتحقق من أداء الكواشف، وفهم مصادر الخلفية، وتحسين أساليب التحليل. ومن المقرر أن تبدأ جولة البحث بكامل نطاقها في عام 2027. 12

وقد تقدم البيانات المبكرة حدوداً علمية مفيدة أو حتى حدثاً مرشحاً، لكن أقوى قدرة على اكتشاف المادة المظلمة ستظهر بعد توصيف النظام بالكامل وتشغيله عند الحساسية المستهدفة.

2. إشارة غاما محتملة عند 43.2 غيغا إلكترون فولت

ماذا وجد تحليل بيانات فيرمي؟

في دراسة مستقلة، حلل الباحثون 15.5 عاماً من البيانات المتاحة للعامة التي جمعها تلسكوب فيرمي للمساحة الكبيرة، أو Fermi-LAT، من 13 عنقوداً مجرياً ضخماً وقريباً. ووجدوا زيادة ضيقة تشبه خطاً طيفياً قرب 43.2 غيغا إلكترون فولت، وكان أقوى إسهام فيها من عناقيد العذراء والفرن والهلبة.

وتكتسب هذه الإشارة اهتماماً خاصاً لأن بعض نماذج المادة المظلمة تتوقع أن يؤدي فناء الجسيمات إلى إنتاج فوتونات عند طاقة مميزة. ووفق هذا التفسير، قد تنسجم الإشارة مع فناء جسيمات «الضخمة ضعيفة التفاعل»، المعروفة اختصاراً باسم WIMPs. لكنها تظل دليلاً محتملاً في فيزياء الجسيمات، لا قياساً مباشراً للمادة المظلمة نفسها.

لماذا لا تُعد الإشارة اكتشافاً؟

الإشارة مثيرة للاهتمام، لكن الدلالة الإحصائية لا تساوي التأكيد العلمي. ووفق المعطيات المتاحة، تبلغ الدلالة المعلنة نحو 4.3 سيغما، وهي أقل من عتبة 5 سيغما المتعارف عليها عادةً للإعلان عن اكتشاف في فيزياء الجسيمات. كما عرض ملخص مؤتمر لتحليلات مرتبطة بخط 43 غيغا إلكترون فولت دلالة أقل، تبلغ 3.7 سيغما بعد احتساب «تأثير البحث في كل مكان»؛ أي العقوبة الإحصائية الناتجة عن فحص طاقات واختيارات متعددة للبيانات.

وهناك تفسيرات أخرى ممكنة لظهور خط شبيه بالإشارة من دون أن تكون المادة المظلمة السبب، منها:

• نمذجة غير كاملة لخلفيات أشعة غاما الفلكية؛
• تقلب إحصائي تضخمه عملية البحث عن طاقات أو أهداف تبدو واعدة؛ أو
• تأثير مرتبط بالأداة أو بالمعايرة أو باختيار الأحداث.

كما أن تحليلات سابقة لبيانات فيرمي من العناقيد المجرية تحدثت عن ميزة محتملة قرب 43 غيغا إلكترون فولت، لكنها لم تجد خطاً ذا دلالة إحصائية عالمية. ولهذا ينبغي التعامل مع النتيجة الجديدة بوصفها إشارة تستحق المتابعة، لا دليلاً على رصد جسيمات WIMPs.

كيف يكمّل التطوران أحدهما الآخر؟

تختبر SuperCDMS وتحليلات فيرمي احتمالين مختلفين للمادة المظلمة:

• SuperCDMS تجربة كشف مباشر: تنتظر أن يودع جسيم من المادة المظلمة طاقة في بلورة باردة من الجرمانيوم أو السيليكون.
• تحليل فيرمي بحث غير مباشر: يفتش عن إشعاع قد ينتج عندما تفنى جسيمات المادة المظلمة داخل تراكيب كونية كثيفة.

وسيتعين على أي نتيجة إيجابية، في أي من النهجين، أن تميّز نفسها من الخلفيات العادية وأن تدعمها أدلة إضافية. وسيكون توافق نتائج طرق مستقلة أكثر إقناعاً بكثير، لكن التطورين الحاليين لم يبلغا هذه المرحلة بعد.

ما الخطوة التالية؟

بالنسبة إلى البحث تحت الأرض، تتمثل المحطة المقبلة في الانتقال من التشغيل التجريبي والمرحلة العلمية المبكرة إلى جولة SuperCDMS المخطط لها بكامل الحساسية في عام 2027. ومن المتوقع أن تمنح فترة التعرض الأطول وفهماً أدق للخلفيات اختباراً أقوى لنماذج المادة المظلمة منخفضة الكتلة. 26

أما بالنسبة إلى إشارة غاما، فالاختبار الأهم هو تكرارها. فقد تكشف أرصاد جديدة ذات حساسية أو قدرة أفضل على تمييز الطاقات ما إذا كانت ميزة 43 غيغا إلكترون فولت تظهر باستمرار في العناقيد نفسها، وما إذا كان سلوكها يطابق ما تتنبأ به نماذج المادة المظلمة. كما ستوفر الأدوات المستقلة فحصاً مهماً لاحتمال وجود تأثيرات خاصة بتلسكوب فيرمي.

وسيتناول تلسكوب نانسي غريس رومان الفضائي التابع لوكالة ناسا المسألة من زاوية مختلفة. فمن خلال مسوح واسعة في الأشعة تحت الحمراء وقياسات العدسات الجاذبية، سيعمل على رسم خريطة لتوزيع المادة المظلمة ودراسة تأثيرها في المجرات المرئية، لا على رصد جسيمات WIMPs مباشرة.

وتوضح هذه البرامج لماذا يتقدم بحث المادة المظلمة عبر مسارات متكاملة: قياس تصادمات محتملة على الأرض، والبحث عن نواتج الفناء في الفضاء، وتتبع التأثير الجاذبي للمادة غير المرئية عبر الكون. أما الخلاصة الأكثر دقة في الوقت الراهن فهي أن البحث حصل على خيطين مهمين، لكنه لم يحصل بعد على الإجابة الحاسمة.