A new Limit for Axion Dark Matter with SPACE
استخدمت تجربة SPACE، وهي أول بحث ألماني عن المادة المظلمة من نوع الأكسيون، تجويفاً رنينياً بقوة 14 تسلا لاستقصاء نطاق الكتلة من 16.626 إلى 16.653 ميكرو إلكترون فولت، ووضعت حداً قياسياً جديداً للاقتران بين الأكسيون والفوتون يتجاوز القيود السابقة بأكثر من رتبتين عشريتين.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
الكون مليء بالمادة التي لا نستطيع رؤيتها. يعلم علماء الفلك أن هذه المادة غير المرئية، التي تُسمى المادة المظلمة، موجودة لأن جاذبيتها هي التي تمسك المجرات معاً وتثني ضوء النجوم البعيدة، ومع ذلك فهي لا تبعث أو تعكس الضوء بأي طريقة يمكننا رصدها. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن الجسيم الذي يتكون منه هذا الظل الكوني، مختبرين العديد من النظريات المختلفة. تشير إحدى الأفكار الرائدة إلى أن المادة المظلمة تتكون من "الأكسيونات" (axions)، وهي جسيمات شبحية متناهية الصغر تم اقتراحها لحل لغز عميق حول سبب سلوك القوة النووية القوية بشكل مختلف عما هو متوقع. إذا كانت هذه الأكسيونات موجودة، فينبغي أن تكون في كل مكان، تمر عبرنا وعبر الأرض باستمرار، لكن تفاعلها مع المادة العادية ضعيف للغاية لدرجة أنها ظلت غير مرئية. التحدي الذي يواجه الفيزيائيين هو إيجاد طريقة للإمساك بأحد هذه الجسيمات المراوغة، وتحويل غير المرئي إلى شيء يمكننا قياسه.
لقد اتخذ فريق من الباحثين في ألمانيا خطوة كبيرة نحو هذا الهدف من خلال تجربة جديدة تسمى "SPACE"، وهو مشروع طلابي لتجربة تجويف الأكسيون (Student Project for an Axion Cavity Experiment). هذه هي التجربة الأولى من نوعها في ألمانيا، وهي تمثل قفزة نوعية في حساسية بحثنا. قام الباحثون ببناء جهاز متخصص مصمم للاستماع إلى الهمس الخافت لتحول الأكسيون إلى "فوتون"، وهو جسيم من الضوء. لقد ركزوا بحثهم على نطاق محدد جداً من الكتل، باحثين عن أكسيونات قد تقابل تردداً يتراوح بين 4.020 جيجاهرتز و4.027 جيجاهرتز. ولجعل هذا التحول ممكناً، وضعوا أسطوانة معدنية مجوفة داخل مغناطيس فائق التوصيل قوي يولد مجالاً مغناطيسياً بقوة 14 تسلا، أي ما يعادل 280,000 ضعف المجال المغناطيسي للأرض. في هذه البيئة المغناطيسية المكثفة، إذا مر أكسيون عبر الأسطوانة، فإن النظرية تتنبأ بأنه سيتحول إلى نبضة صغيرة من موجات الراديو التي يمكن للأسطوانة أن تتجاوب معها بالرنين، تماماً مثل جرس يرن عند طبقة صوتية محددة.
استمرت التجربة لمدة 71 ساعة في أبريل 2024، وخلال تلك الفترة، جمع الفريق مليارات القياسات لإشارات الراديو القادمة من التجويف. استخدموا مضخمات ومرشحات شديدة الحساسية لعزل نطاق التردد المحدد الذي كانوا مهتمين به، مع تتبع كيفية تغير درجة الحرارة والخصائص الفيزيائية للمعدات بمرور الوقت بعناية لضمان دقة بياناتهم. وعلى الرغم من الحساسية العالية لمعداتهم وقوة المجال المغناطيسي، لم يجد الباحثون أي إشارة تبرز عن الضوضاء الخلفية. لم يسمعوا رنين الجرس. ومع ذلك، فإن عدم وجود إشارة هو نتيجة قوية في حد ذاته. فمن خلال عدم العثور على الأكسيون، تمكن الفريق من استبعاد وجود أكسيونات بخصائص معينة في ذلك النطاق المحدد من الكتلة. لقد حددوا أنه إذا كانت الأكسيونات موجودة بكتلة تتراوح بين 16.626 ميكرو إلكترون فولت و16.653 ميكرو إلكترون فولت، فإن تفاعلها مع الضوء يجب أن يكون أضعف من حد معين.
حسب الفريق أن أي أكسيون في نطاق الكتلة هذا يجب أن يكون أن قوة تفاعله مع الفوتونات أصغر من 14.6 في 10 مرفوعة للقوة سالبة 13 (1/GeV)، وعند أكثر نقاطهم حساسية، استطاعوا استبعاد القيم الأكبر من 2.8 في 10 مرفوعة للقوة سالبة 13 (1/GeV). هذا الحد الجديد أكثر صرامة بأكثر من مائة مرة من القيود السابقة في هذا النطاق من الكتلة، مما أغلق فعلياً الباب أمام مجموعة واسعة من الاحتمالات التي تركتها التجارب الأخرى مفتوحة. الفريق واثق من هذه النتيجة، بعد أن أخذوا في الاعتبار مختلف مصادر الخطأ وعدم اليقين في معداتهم وتحليلهم. وبينما لم يكتشفوا الأكسيون، فقد نجحوا في تضييق نطاق البحث، ليخبروا المجتمع العلمي أنه إذا كان الأكسيون موجوداً في هذا النطاق من الكتلة، فهو أكثر مراوغة مما كان يُعتقد سابقاً. هذا العمل، الذي أجراه طلاب وباحثون من جامعة هامبورغ ومعهد (DESY)، يدفع حدود الممكن في رحلة البحث عن المادة المظلمة، مثبتاً أن حتى النتائج السلبية يمكن أن توفر وضوحاً عميقاً حول طبيعة الكون.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.