Direct detection of electromagnetically interacting ultraheavy dark matter

الكون مليء بمادة غير مرئية تمسك المجرات ببعضها البعض، ومع ذلك لم نرَ قط جسيماً واحداً منها. يطلق العلماء على هذه المادة اسم "المادة المظلمة"، ولعقود من الزمن، كانت النظرية الرائدة هي أنها تتكون من جسيمات ثقيلة وبطيئة الحركة تتفاعل بالكاد مع الضوء العادي أو المادة. ومع ذلك، ظل هناك احتمال أكثر هدوءاً يلوح في الأفق: ماذا لو كانت بعض هذه المادة المظلمة تحمل شحنة كهربائية ضئيلة وخافتة؟ إذا كان الأمر كذلك، فإنها ستتفاعل مع فوتونات الضوء، مهما كان التفاعل ضعيفاً، مما يخلق جسراً بين القطاع الخفي والعالم المرئي الذي نسكنه. هذه الفكرة، المعروفة باسم المادة المظلمة "ذات الشحنة المليونية" (millicharged)، تشير إلى أن هذه الجسيمات قد تكون خفيفة بما يكفي لتمر عبر الكواشف بسرعة، أو ثقيلة بما يكفي لاختراقها، اعتماداً على كتلتها. ويبقى السؤال هو ما إذا كان بإمكاننا الإمساك بها، وإذا كان الأمر كذلك، فما مدى ثقلها قبل أن تصبح أدواتنا الحالية ببساطة عاجزة عن رؤيتها.

قام فريق من الفيزيائيين الآن برسم حدود قدرتنا على إيجاد هذه الجسيمات المراوغة، مع التركيز بشكل خاص على أثقل المرشحين الممكنين. لقد فحصوا بيانات من مجموعة واسعة من التجارب الموجودة تحت الأرض والمصممة لالتقاط المادة المظلمة، بما في ذلك خزانات ضخمة من الزينون السائل، وغرف مملوءة بالأرغون السائل، وغرف فقاعية تكتشف الومضات الصغيرة الناتجة عن غليان السائل. كان هدفهم هو تحديد مدى ثقل هذه الجسيمات قبل أن تصبح الكواشف نفسها عمياء عنها. ووجد الباحثون أنه بالنسبة للجسيمات التي تتفاعل من خلال الشحنة الكهربائية، هناك حد قاطع لمقدار الشحنة التي يمكن أن تمتلكها قبل أن يتم استبعادها بواسطة أنظمة السلامة المصممة لحماية التجارب نفسها. هذا الحد، أو "السقف"، يعتمد كلياً على نوع الكاشف المستخدم.

تكشف الدراسة عن ميزة مفاجئة لنوع محدد من الكواشف: الغرفة الفقاعية. ففي معظم التجارب، مثل تلك التي تستخدم الزينون السائل، تكون الكواشف حساسة للغاية لدرجة أنها سترى فيضاً من الإشارات من الإلكترونات إذا كانت المادة المظلمة تمتلك حتى شحنة كهربائية ضئيلة. ولتجنب الغرق في هذا الضجيج، تقوم هذه التجارب تلقائياً باستبعاد أي حدث يبدو وكأنه تفاعل إلكتروني. وبناءً على ذلك، إذا كانت المادة المظلمة مشحونة بشكل كبير، فإنها تطلق نظام الحظر هذا ويتم التخلص منها، مما يترك التجربة غير قادرة على رؤيتها. وقد حسب الباحثون أن هذا يحدث في تجارب الزينون السائل وكواشف أشباه الموصلات، مما يخلق حداً علوياً صارماً لشحنة المادة المظلمة التي يمكن البحث عنها. ومع ذلك، تعمل الغرف الفقاعية بشكل مختلف؛ فهي مصممة لتجاهل الإشارات الخافتة التي تتركها الإلكترونات والارتباط فقط بالضربات الثقيلة والقوية من النوى الذرية. ولأنها لا تمتلك نظاماً يستبعد إشارات الإلكترونات تلقائياً، فهي لا تعاني من هذا السقف نفسه.

يسمح هذا الاختلاف لتجربة الغرفة الفقاعية المعروفة باسم PICO-60 باستكشاف منطقة شاسعة من الاحتمالات التي لا تستطيع الكواشف الأخرى الوصول إليها. وجد الفريق أن PICO-60 يمكنها تقييد الشحنة الكهربائية للمادة المظلمة بمقدار درجتين أسيتين أعلى من تجارب الزينون السائل، ويمكنها القيام بذلك لجسيمات ذات كتل تزيد بمقدار درجة أسية واحدة. هذا الاكتشاف يغلق فعلياً فجوة كبيرة في معرفتنا، حيث يستبعد نطاقاً واسعاً من المادة المظلمة الثقيلة ذات الشحنة المليونية التي لم تكن مقيدة سابقاً. وبالنسب بالنسبة للجسيمات ذات الكتل التي تقل عن حد معين، فإن هذه النتيجة تسد الفجوة بين ما يمكن لتجارب الكشف المباشر رؤيته وما استبعدته تجارب النيوترينو بالفعل.

كما نظر الباحثون في طرق أخرى قد تتفاعل بها المادة المظلمة مع الضوء، مثل امتلاك عزم ثنائي قطب مغناطيسي أو كهربائي، أو حجم داخلي محدد يُعرف بنصف قطر الشحنة. بالنسبة لهذه الأنواع من التفاعلات، فإن مشكلة "السقف" لا توجد لأن الإشارات التي تنتجها لا تغمر الكواشف بنفس الطريقة. وقد حسب الفريق الحدود لهذه السيناريوهات أيضاً، مما وسع القيود المعروفة لكتل المادة المظلمة لتصل إلى 10^17 جيجا إلكترون فولت. هذه كتلة عالية جداً، تتجاوز بكثير ما يمكن لمصادمات الجسيمات الحالية إنتاجه، مما يدفع حدود ما نعرفه عن أثقل مرشحي المادة المظلمة الممكنة.

وبالنظر إلى المستقبل، تحدد الدراسة ما ستتمكن منه الكواشف الأكبر والأكثر ضخامة في السنوات القادمة. فالأبحاث المخطط لها في السنوات المقبلة، مثل تجارب DarkSide-20k وDARWIN ذات النطاق متعدد الأطنان، ستكون قادرة على سبر أغوار أعمق في مساحة المعلمات هذه. ويقترح الباحثون أنه من خلال تحسين كيفية تحليل هذه الكواشف لبياناتها، وخاصة من خلال تعديل القواعد الخاصة بما يعتبر إشارة خلفية، يمكن دفع الحدود الحالية للمادة المظلمة ذات الشحنة المليونية إلى مستويات أعلى. وبينما قد تمنع قشرة الأرض والغلاف الجوي بعض هذه الجسيمات الثقيلة من الوصول إلى المختبرات الموجودة تحت الأرض، إلا أن الحسابات تظهر أن هذا التأثير ضئيل بالنسبة لأثقل المرشحين. يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لمكان وقوف البحث عن أثقل المادة المظلمة ذات الشحنة الخافتة اليوم، وإلى أين يجب أن يتجه غداً.