Indirect Searches for Dark Photon-Photon Tridents in Celestial Objects

على مدى عقود، ظل العلماء يطاردون المادة المظلمة، تلك المادة غير المرئية التي تشكل معظم كتلة الكون ولكنها ترفض التفاعل مع الضوء. ورغم أننا لا نستطيع رؤيتها، إلا أننا نعلم بوجودها لأن جاذبيتها هي ما يمسك المجرات ببعضها البعض. وللعثور عليها، يبحث الباحثون عادةً عن علامات تشير إلى اصطدام جسيمات المادة المظلمة بالمادة العادية أو فنائها مع بعضها البعض لإنتاج ومضات من الضوء. وقد ركزت معظم عمليات البحث هذه على نتائج بسيطة تتضمن جسيمين فقط، مثل تحول جسيم من المادة المظلمة إلى فوتونين. ومع ذلك، فإن الكون نادراً ما يكون بهذه البساطة؛ فهناك احتمال نظري بأن المادة المظلمة قد تتفاعل من خلال قوة خفية، يتوسطها جسيم يسمى "الفوتون المظلم". وإذا كان هذا الفوتون المظلم خفيفاً للغاية وطويل العمر، فقد لا يتحلل فوراً، بل يمكنه السفر لمسافة كبيرة قبل أن يتفكك إلى ثلاثة فوتونات في آن واحد. وهذا الحدث النادر المكون من ثلاثة فوتونات، والمعروف باسم "التريتون" (trident)، يخلق بصمة فريدة غالباً ما تغفل عنها عمليات البحث القياسية، مما يترك فجوة محتملة في فهمنا لكيفية سلوك المادة المظلمة.

تستكشف دراسة جديدة أجراها تيم ليندين، وثونج تي. كيو. نغوين، وتيم إم. بي. تايت، هذا السيناريو تحديداً، متسائلين عما سيحدث إذا تراكمت المادة المظلمة داخل الأجرام السماوية الضخمة مثل الكواكب والنجوم والنجوم النيوترونية. قام الباحثون بنمذجة عملية يتم فيها جذب جسيمات المادة المظلمات بواسطة الجاذبية لتصبح محاصرة داخل هذه الأجرام. وبمجرد حصارها، تصطدم وتفني بعضها البعض، مما ينتج عنه الفوتونات المظلمة طويلة العمر. ولأن هذه الفوتونات مستقرة للغاية، يمكنها الهروب من الجزء الداخلي الكثيف للنجم أو الكوكب دون أن تُمتص. وبمج once تصل إلى مسافة كافية في فراغ الفضاء، تتحلل أخيراً إلى ثلاثة فوتونات. وقد حسب الفريق بدقة كيف سيبدو دفق الضوء هذا، ثم قارن توقعاتهم بالبيانات الحقيقية التي جمعتها تلسكوبات قوية من الأرض ومن المدار.

ركز الباحثون على أربعة أهداف محددة: الشمس، والمشتري، والأقزام البنية، والنجوم النيوترونية. وقد استنتجوا أن هذه الأجرام تعمل كمصائد طبيعية، حيث تركز المادة المظلمة بكثافة أكبر بكثير مما هي عليه في الفضاء الفارغ بين النجوم. ومن خلال تحليل البيانات من تلسكوب "فيرمي" لآلف المنطقة الواسعة، ونظام "هاي إنرجي ستيريوسكوبيك" (HESS)، ومرصد "هاي ألتيتود ووتر شيرينكوف" (HAWC)، بحث الفريق عن أنماط الطاقة المحددة التي تنتج عن تحلل الفوتونات الثلاثة هذا. ووجدوا أنه رغم عدم اكتشاف مثل هذه الإشارة بعد، إلا أن غياب الإشارة يسمح لهم بوضع حدود صارمة على كيفية تفاعل المادة المظلمة مع المادة العادية. وبشكل محدد، قاموا بحساب أقصى قوة ممكنة للتفاعل بين المادة المظلمة والنوى الذرية، وهي قيمة تُعرف باسم "المقطع العرضي للتشتت".

تكشف النتائج أن النظر إلى السماء قد يكون أكثر قوة من النظر إلى الأرض. فبالنسبة لكتل معينة من المادة المظلمة، تكون القيود المستمدة من مراقبة المشتري والشمس أكثر صرامة بكثير من تلك المستمدة من أكثر الكواشف الموجودة تحت الأرض حساسية والتي تعمل حالياً. وفي الواقع، بالنسبة لجسيمات المادة المظلمة الثقيلة جداً، فإن القيود التي تفرضها مراقبة النجوم النيوترونية في مركز مجرتنا صارمة للغاية لدرجة أنها تبدأ في سبر منطقة في الفيزياء حيث تصبح إشارة المادة المظلمة غير قابلة للتمييز عن الضوضاء الخلفية الناتجة عن النيوترينوهات، وهو حد يُطلق عليه غالباً اسم "ضباب النيوترينو". وهذا يشير إلى أن الملاحظات المستقبلية لهذه الأجرام السماوية يمكن أن تصل إلى مستويات من الحساسية لا تستطيع التجارب الأرضية تحقيقها بعد.

كما تسلط الدراسة الضوء على أهمية الطاقة المحددة للضوء الناتج. إذ يخلق تحلل الفوتونات الثلاثة طيفاً متميزاً من أشعة غاما يختلف عن تحلل الجسيمين الأكثر شيوعاً. ومن خلال رسم خارطة لهذا الطيف، أظهر الباحثون أن التلسكوبات يمكنها التمييز بين أنواع مختلفة من تفاعلات المادة المظلمة. ووجدوا أنه بالنسبة لجسيمات المادة المظلمة الأخف وزناً، تعد مراقبة الأقزام البنية والمشتري فعالة بشكل خاص، بينما بالنسبة للجسيمات الأثقل، توفر الجاذبية الشديدة للنجوم النيوترونية أفضل نافذة على الفيزياء. كما لاحظ الفريق أن بقاء الفوتون المظلم يعتمد بشكل كبير على عمره؛ فإذا تحلل بسرعة كبيرة، فإنه يتلاشى داخل النجم، ولكن إذا عاش طويلاً جداً، فقد يتحلل بعيداً عن متناول تلسكوباتنا. وقد حددت حساباتهم نافذة ضيقة حيث يعيش فيها الفوتون المظلم لفترة كافية للهروب والتحلل بطريقة يمكن اكتشافها.

في نهاية المطاف، يوضح هذا العمل أن الكون نفسه يوفر مختبراً لاختبار النظريات التي يصعب التحقق منها على الأرض. ومن خلال التعامل مع الكواكب والنجوم ككواشف ضخمة للمادة المظلمة، يمكن للعلماء استبعاد نطاقات واسعة من الاحتمالات حول كيفية سلوك المادة المظلمة. لا تدعي الدراسة العثور على المادة المظلمة، لكنها نجحت في تضييق نطاق البحث، موضحة أنه إذا كانت المادة المظلمة تتفاعل مع المادة العادية بهذه الطريقة المحددة، فلا بد أن تفعل ذلك بقوة أضعف بكثير مما كان يُعتقد سابقاً لكتل عديدة. ويفتح هذا النهج مساراً جديداً للاكتشاف، مما يشير إلى أن الاختراق القادم في فهم الكون غير المرئي قد لا يأتي من آلة جديدة تُبنى في مختبر، بل من نظرة أكثر دقة للضوء القادم من النجوم.