From LUX-ZEPLIN to Colliders: Probing Higgsino Dark Matter

منذ عقود، يعلم علماء الفلك أن الكون مليء بالمادة غير المرئية. هذه "المادة المظلمة" لا تنبعث منها أضواء، ولا تعكس الضوء، ومع ذلك فإن جاذبيتها هي التي تمسك المجرات معاً وتُشكل الشبكة الكونية. وبينما يمكننا رؤية آثارها، لا يزال الطبيعة الجوهرية لهذه المادة واحدة من أعظم الألغاز في الفيزياء. وتتمثل إحدى الأفكار الرائدة في أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات ثقيلة وبطيئة الحركة نادراً ما تتفاعل مع المادة العادية. وإذا كانت هذه الجسيمات موجودة، فمن المفترض أن تصطدم أحياناً بنوى الذرات في الكواشف الموجودة في أعماق الأرض، مما يؤدي إلى خلق ومضات طاقة ضئيلة. ويكمن التحدي الذي يواجه العلماء في أن هذه الاصطدامات نادرة للغاية وغالباً ما تنتج إشارات ضعيفة جداً لدرجة أنها تضيع بسهولة في ضجيج الخلفية الطبيعي للعالم.

مؤخراً، سجلت تجربة ضخمة تُدعى "لوكس-زيبلين" (LUX-ZEPLIN)، مدفونة في أعماق الأرض في جنوب داكوتا، حدثاً واحداً محيراً. فقد رصد الكاشف ارتداداً نووياً بطاقة تبلغ حوالي 248 كيلو إلكترون فولت (keV). وهذا الرقم مرتفع بشكل غير عادي بالنسبة لاصطدام المادة المظلمة، والتي عادة ما تنتج إشارات أضعف بكثير. ورغم أن هذا الحدث المنفرد ليس كافياً لإعلان اكتشاف، إلا أنه أثار اهتماماً شديداً لأنه يتوافق مع نموذج نظري محدد يتعلق بنوع من الجسيمات يُسمى "هيجسينو" (Higgsino). وإذا كان هذا النموذج صحيحاً، فهذا يعني أن جسيمات المادة المظلمة ليست ثقيلة فحسب، بل تمتلك أيضاً بنية داخلية محددة للغاية تغير طريقة تفاعلها مع الكون.

لقد أخذ فريق من الفيزيائيين هذه الإشارة المثيرة للاهتمام وتتبع تبعاتها وصولاً إلى أقوى مصادمات الجسيمات في العالم. لقد استكشفوا سيناريو تكون فيه جسيمة المادة المظلمة عبارة عن "هيجسينو" نقي تقريباً بكتلة تبلغ حوالي 1.1 تيرا إلكترون فولت (TeV). في هذا النموذج، توجد جسيمة المادة المظلمة في حالتين مختلفتين قليلاً، متطابقتين تقريباً في الوزن ولكن يفصل بينهما فجوة ضئيلة. وعندما تصطدم جسيمة مادة مظلمة من الفضاء بذرة في كاشف ما، يجب أن تكتسب طاقة كافية للقفز من الحالة الأخف إلى الحالة الأثقل. هذا "القفز غير المرن" يتطلب اصطداماً عالي السرعة، وهو ما يفسر سبب رصد كاشف "لوكس-زيبلين" لحدث ذي طاقة عالية. وقد حسب الباحثون أنه لكي يحدث هذا، يجب أن يكون فرق الكتلة بين هاتين الحالتين حوالي 350 كيلو إلكترون فولت.

ولا تنتهي القصة عند جسيمة المادة المظلم-نفسها. فالنظرية ذاتها التي تتنبأ بهاتين الحالتين المحايدتين تتنبأ أيضاً بشريك ثالث مشحون. هذا الجسيم المشحون، المعروف باسم "تشارجينو" (chargino)، يكاد يكون في نفس كتلة جسيمات المادة المظلمة المحايدة ولكنه أثقل قليلاً بحوالي 350 ميجا إلكترون فولت (MeV). ولأن فرق الكتلة هذا صغير جداً، لا يمكن للجسيم المشحون أن يتحلل إلى جسيمات ثقيلة. بدلاً من ذلك، يتحلل إلى جسيمة مادة مظلمة محايدة و"بيون" (pion) ناعم ومنخفض الطاقة، وهو نوع من الجسيمات دون الذرية. وتحدث هذه العملية بسرعة فائقة، حيث يعيش الجسيم المشحون لمدة 0.025 نانو ثانية فقط قبل أن يتلاشى.

يخلق هذا الوجود العابر بصمة فريدة يبحث عنها العلماء. فعندما يتم إنتاج مثل هذا الجسيم المشحون في مصادم جسيمات، فإنه يقطع مسافة قصيرة — حوالي 6 إلى 8 مليمترات — قبل أن يتحلل. وفي لغة فيزياء الجسيمات، يُسمى هذا "مساراً متلاشياً" (disappearing track). يترك الجسيم أثراً مرئياً قصيراً في طبقات التتبع الخاصة بالكاشف، ثم يتوقف المسار ببساطة. أما ناتج التحلل، وهو "البيون" الناعم، فغالباً ما يكون أضعف من أن تراه الكواشف القياسية. وهذا يجعل الإشارة صعبة العثور عليها للغاية، حيث يتلاشى الجسيم قبل أن يتمكن من السفر لمسافة كافية ليتم إعادة بنائه بالكامل بواسطة مستشعرات الآلة.

لقد فحص الباحثون ما إذا كانت التجارب الحالية في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) قد وجدت هذا الجسيم بالفعل. ووجدوا أن الإجابة هي لا. فمصادم الهادرونات الكبير يبحث بالفعل عن المسارات المتلاشية، لكن حساسيته الحالية تمتد فقط إلى الجسيمات التي تصل كتلتها إلى حوالي 225 جيجا إلكترون فولت (GeV). أما "الهيجسينو" الذي يتنبأ به حدث "لوكس-زيبلين" فهو أثقل بكثير، حيث تبلغ كتلته 1.1 تيرا إلكترون فولت، واحتمالية بقائه لفترة كافية ليُرى بواسطة الكواشف الحالية ضئيلة للغاية. وقد أوضح الفريق أن بيانات مصادم الهادرونات الكبير الحالية لا تستبعد هذا السيناريو، مما يترك الباب مفتوحاً على مصراعيه لهذا النوع المحدد من المادة المظلمة.

وبالنظر إلى المستقبل، توضح الورقة البحثية كيف يمكن للآلات المستقبلية أن تمسك أخيراً بهذا الجسيم المراوغ. إن مصادم الهادرونات الكبير عالي السطوع (High-Luminosity LHC)، الذي سيعمل ببيانات أكثر بكثير في السنوات القادمة، قد يكون قادراً على رؤية هذه الإشارة، ولكن فقط إذا تم تطوير الكواشف لتتعرف حتى على المسارات الأكثر قصراً. ويؤكد الباحثون أن مجرد جمع المزيد من البيانات ليس كافياً؛ بل يجب أن تكون الكواشف قادرة على إعادة بناء مسارات لا يتعدى طولها بضعة مليمترات. والأكثر واعدية هي الخطط المتعلقة بمصادمات مستقبلية، مثل مصادم بروتونات بقدرة 100 تيرا إلكترون فولت أو مصادم ميون بقدرة 10 تيرا إلكترون فولت. ستنتج هذه الآلات هذه الجسيمات الثقيلة بشكل أكثر تكراراً وبسرعات أعلى، مما يزيد من فرص سفر الجسيم المشحون لمسافة كافية ليتم رصده قبل أن يتحلل.

تكمن روعة هذا العمل في كيفية ربطه بين طريقتين مختلفتين تماماً لدراسة الكون. فالتجربة "لوكس-زيبلين" تبحث عن المادة المظلمة من خلال مراقبة اصطدامات نادرة في خزان من الزينون السائل، بينما تحاول مصادمات الجسيمات إنشاء هذه الجسيمات من العدم. وتوضح الورقة أنه إذا كان حدث "لوكس-زيبلين" ناتجاً بالفعل عن هذا "الهيجسينو" المحدد، فإن الشريك المشحون يجب أن يوجد بكتلة دقيقة جداً وعمر دقيق جداً. وهذا يخلق هدفاً واضحاً للتجارب المستقبلية. فإذا وجد مصادم ما مساراً متلاشياً بعمر قدره 0.025 نانو ثانية وكتلة تبلغ 1.1 تيرا إلكترون فولت، فسيقدم ذلك تأكيداً مستقلاً لإشارة المادة المظلمة التي رُصدت تحت الأرض. وعلى العكس من ذلك، إذا فشلت المصادمات المستقبلية ذات القدرات المناسبة في العثور على هذا الجسيم، فسيتم استبعاد تفسير "الهيجسينو" لحدث "لوكس-زيبلين".

في نهاية المطاف، يحول هذا البحث نقطة بيانات واحدة غامضة إلى خارطة طريق ملموسة للاكتشاف. إنه يشير إلى أن الكون قد يخفي جسيماً ثقيلاً ومشحوناً يعيش لجزء من مليار من الثانية، تاركاً وراءه فقط ندبة مجهرية في الكاشف. وسواء كان هذا الجسيم موجوداً أم لا، فإن الطريق للعثور عليه أصبح الآن محدداً بوضوح. ستحتاج الجيل القادم من التجارب إلى أن تُبنى بالقدرة على رؤية هذه المسارات المتلاشية الصغيرة، محولةً الاحتمال النظري إلى واقع قابل للاختبار. وإذا كانت المادة المظلمة مكونة بالفعل من هذه "الهيجسينوهات" الثقيلة، فإن الإجابة لن تأتي من ومضة ضوء واحدة، بل من غياب مسار كان ينبغي أن يكون هناك.