Endothermic dark matter with a light dark photon and the LUX--ZEPLIN high-energy nuclear-recoil candidate

في أعماق الأرض، داخل خزان من الزينون السائل المبرد إلى درجة حرارة الفضاء العميق، يستمع العلماء لوشوشة. هذا هو تجربة "LUX-ZEPLIN"، وهو كاشف ضخم مصمم لالتقاط أندر التفاعلات: تصادم بين جسيم من المادة المظلمة وذرة من المادة العادية. المادة المظلمة هي السقالات غير المرئية للكون، التي تمسك المجرات معاً، ومع ذلك فهي ترفض أن تشع أو تعكس أو تمتص الضوء. لعقود من الزمن، بحث الفيزيائيون عنها عبر انتظار هزة مفاجة وصغيرة في كواشفهم، وهي إشارة تدل على أن جسيماً شبحياً قد اصطدم بنواة ثقيلة. مؤخراً، أبلغ فريق "LZ" عن حدث واحد مثير للاهتمام؛ لقد كان ارتداداً نووياً، أي ركلة لذرة، بطاقة محددة بلغت 248 كيلو إلكترون فولت. وبينما قد تكون هذه الومضة الوحيدة مجرد صدفة أو ضوضاء خلفية، إلا أنها تقع عند مستوى طاقة عالٍ تجد النظريات القياسية للمادة المظلمة صعوبة في تفسيره. إنها قطعة أحجية لا تتناسب تماماً مع الصورة التي رسمها معظم العلماء.

اقترح فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة لجعل تلك القطعة تتناسب مع الصورة. هم يقترحون أن جسيم المادة المظلمة المسؤول عن هذه الركلة ليس جسماً بسيطاً ساكناً، بل كيان ذو وجهين بتركيبة داخلية خفية. تخيل جسيماً يوجد في حالتين: حالة أرضية هادئة ومنخفضة الطاقة، وحالة مثارة أثقل قليلاً، يفصل بينهما فجوة طاقة صغيرة ولكنها حاسمة. في هذا السيناريو، لكي تصطدم المادة المظلمة بذرة في الكاشف، يجب عليها أولاً امتصاص الطاقة للقفز إلى تلك الحالة الأثقل. هذه العملية، المعروفة باسم "التشتت الماص للحرارة" (endothermic scattering)، تعمل مثل مرشح عالي السرعة؛ مما يعني أن أسرع جسيمات المادة المظلمة في مجرتنا فقط هي التي تملك السرعة الكافية لدفع تكلفة القفزة الطاقية. أما الجسيمات الأبطأ فتمر ببساطة دون تفاعل. يفسر هذا الآلية بشكل طبيعي سبب رؤية الكاشف لحدث عالي الطاقة بينما يتجاهل آلاف الجسيمات الأبطأ والأكثر شيوعاً التي ينبغي أن تمر عبره كل ثانية.

بنى الباحثون نموذجاً مفصلاً حول هذه الفكرة، بربط المادة المظلمة بحامل قوة جديد وغير مرئي يسمى "الفوتون المظلم". يعمل هذا الجسيم كوسيط بين العالم المظلم وعالمنا، مما يسمح للمادة المظلمة بالتفاعل مع ذرات الزينون. ومن خلال إجراء عمليات محاكاة حاسوبية مكثفة جمعت بين قواعد فيزياء الجسيمات وتاريخ الكون المرصود، اختبر الفريق ما إذا كان هذا الإعداد المحدد يمكنه تفسير حدث "LZ" الوحيد مع التوافق أيضاً مع إجمالي كمية المادة المظلمة التي نعرف وجودها في الكون. وقد وجدوا منطقة ضيقة ودقيقة حيث يتوافق كل شيء. في هذا السيناريو، تكون جسيمات المادة المظلمة ثقيلة، حيث تزن بمقياس بضعة آلاف من البروتونات، وفجوة الطاقة بين حالتيها تبلغ بضع مئات من الكيلو إلكترون فولت. أما الجسيم الوسيط، الفوتون المظلم، فهو خفيف نسبياً، حيث يوجد بمقياس بضعة مليارات من الإلكترون فولت.

إن الملاءمة دقيقة للغاية. يتنبأ النموذج بأن جسيمات المادة المظلم المسؤولة عن الحدث يجب أن تتحرك بسرعات قريبة من الحد الأعلى الممكن للجسيمات في هالة مجرتنا. ولأن فجوة الطاقة كبيرة، فإن نسبة ضئيلة جداً من سكان المادة المظلمة الأكثر سرعة هي فقط التي يمكنها تحفيز الكاشف. هذا المتطلب يحصر النموذج في زاوية محددة من الاحتمالات. وقد حسب الباحثون أنه إذا كان هذا النموذج صحيحاً، فإن حدث "LZ" الوحيد الذي تم رصده هو بالضبط ما نتوقع رؤيته، بالطاقة الصحيحة وبالتكرار الصحيح. علاوة على ذلك، فإن الفيزياء ذاتها التي تسمح بهذا التصادم عالي السرعة تحدد أيضاً كمية المادة المظلمة التي تم إنشاؤها في الكون المبكر، والنموذج ينتج بشكل طبيعي الكمية الصحيحة لتتطابق مع المخزون الكوني.

ومع ذلك، فإن هذا الحل الأنيق يأتي مع تحفظ هام سلط الباحثون الضوء عليه بعناية. نظرًا لأن فجوة الطاقة بين الحالتين صغيرة جداً، فهي أصغر من أن تسمد الحالة المثارة للمادة المظلمة للتحلل إلى إلكترون وبوزيترون، وهما جسيمان شائعان. هذا يمنع أسرع طريقة لاختفاء الحالة المثارة. بدلاً من ذلك، يُجبر الجسيم المثار على التحلل ببطء أكبر بكثير، مما قد يجعله يتربص لمليارات السناوات. وإذا نجت أعداد كبيرة من هذه الجسيمات المثارة من ولادة الكون حتى اليوم، فإن تحللها النهائي سيضخ طاقة في الكون بطريقة تتعارض مع ما نراه في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. ويشير الباحثون إلى أن هذا يمثل مشكلة محتملة لأبسط نسخة من نموذجهم. وهم يقترحون أن إضافة صغيرة للنظرية، وهي نوع محدد من التفاعل يسمح للحالة المثارة بالتحلل بسرعة إلى ثلاثة فوتونات، يمكن أن يحل هذه المشكلة دون إفساد التفسير لحدث "LZ".

تكمن جمالية هذا الاقتراح في أنه يحول لغزاً إلى فرضية قابلة للاختبار. وخلافاً للعديد من نظريات المادة المظلمة التي تعتمد على قوى غير مرئية لا يمكننا فحصها بسهولة، يتضمن هذا النموذج فوتوناً مظلماً خفيفاً يتفاعل مع عالمنا بطريقة يمكن للتجارب المستقبلية رصدها. إن الكتلة وقوة التفاعل المحددة المطلوبة لتفسير حدث "LZ" تقع ضمن نطاق صُممت تجارب قادمة في مسرعات الجسيمات، مثل تلك الموجودة في "Belle II" و"LHCb"، لاستقصائه. إذا كان الفوتون المظلم موجوداً بالخصائص التي يتنبأ بها هذا النموذج، فإن هذه الآلات يجب أن تكون قادرة على إنتاجه ومراقبة تحلله. لم تعد ومضة الضوء الوحيدة التي شوهدت في الخزان العميق تحت الأرض مجرد شذوذ إحصائي؛ بل هي منارة محتملة تشير نحو بنية محددة وقابلة للاختبار للقطاع المظلم. لم يثبت الباحثون أن هذا هو الجواب، لكنهم أظهروا أنه مسار قابل للتطبيق، مسار يربط حدثاً واحداً غريباً بتاريخ الكون العظيم ويقدم خارطة طريق واضحة لإيجاد الحقيقة.