Did LZ see modified gravity?

في أعماق الأرض، محمياً من الضجيج الكوني السائد على السطح، يقع خزان ضخم من الزينون السائل. هذا هو تجربة "لوكس-زيبلين" (LUX-ZEPLIN)، وهي جهاز صُمم لالتقاط أضعف همسة للمادة المظلمة، تلك المادة غير المرئية التي تشكل معظم كتلة الكون. لسنوات، انتظر العلماء اصطدام جسيم من المادة المظلمة بذرة من الزينون، مما يخلق ومضة ضوئية ضئيلة وتموجاً في الطاقة. مؤخراً، سجلت التجربة حدثاً واحداً غير عادي: حيث ارتدت نواة ثقيلة في الخزان بطاقة قدرها 248 كيلو إلكترون فولت (keV). هذه الطاقة أعلى بكator بكثير مما تتوقعه معظم النظريات القياسية للمادة المظلمة لاصطدام واحد، مما يخلق لغزاً. إذا كان هذا الحدث حقيقياً وليس خطأً أو خللاً في الخلفية، فإنه يشير إلى أن المادة غير المرئية من حولنا تتصرف بطرق لم نتخيلها بعد، ربما تتفاعل مع المادة العادية بقوة أكبر أو بشكل مختلف عما هو متوقع.

اقترح باحث يدعى "باسابيندوا بارمان" طريقة جديدة لحل هذا اللغز، تربط سلوك هذه الجسيمات غير المرئية بتاريخ توسع الكون نفسه. تروي القصة القياسية للكون أنه بعد الانفجار العظيم، برد الكون بإيقاع يمكن التنبؤ به، مما سمح للمادة المظلمة بالتكون والاستقرار بالكميات التي نراها اليوم. ومع ذلك، يقترح بارمان أنه في اللحظات الأولى جداً من عمر الكون، قبل تشكل أول النوى الذرية، ربما كان توسع الفضاء أسرع بكثير مما تسمح به هذه القصة القياسية. هذه الفكرة، المتجذرة في نظريات الجاذبية المعدلة، تغير قواعد اللعبة. فإذا توسع الكون بسرعة أكبر، سيكون من الصعب على جسيمات المادة المظلمة التفاعل مع "الحساء الحار" من الجسيمات الأخرى، مما يعني أنها كانت ستحتاج إلى اتصال أقوى لتُخلق في المقام الأول.

يستعرض البحث نوعاً معيناً من المادة المظلمة يسمى "الجسيم الضخم ضعيف التفاعل" (FIMP). في الرؤية المعتادة، تكون هذه الجسيمات خجولة للغاية لدرجة أنها تكاد لا تلمس أي شيء، مما يجعل اكتشافها شبه مستحيل. هذا الخجل يمثل مشكلة في تفسير الحدث الأخير في خزان الزينون؛ لأنه إذا كانت الجسيمات خجولة جداً، فلا ينبغي أن تكون قادرة على ضرب نواة الزينون بقوة كافية لإحداث إشارة الـ 248 كيلو إلكترون فولت. يوضح عمل بارمان أنه إذا توسع الكون المبكر بسرعة أكبر مما اعتقدنا، فإن ذلك سيسمح لهذه الجسيمات بامتلاك اتصال أقوى بالمادة العادية مع بقائها نادرة بما يكفي لتطابق إجمالي كمية المادة المظلمة التي نرصدها اليوم. وهذا الاتصال الأقوى هو بالضبط ما نحتاجه لجعل الاصطدام في خزان الزينونة ممكناً.

ولاختبار هذه الفكرة، يبني البحث نموذجاً يتكون فيه من المادة المظلمة من نوعين من الجسيمات متطابقين تقريباً في الوزن ولكن مع اختلاف طفيف، يفصل بينهما فجوة ضئيلة تبلغ حوالي 280 كيلو إلكترون فولت. تتفاعل هذه الجسيمات من خلال حامل قوة جديد غير مرئي يسمى "الفوتون المظلم". قام الباحث بحساب مدى تكرار اصطدام هذه الجسيمات بنوى الزينون تحت ظروف مختلفة. وتظهر النتائج أنه إذا تم تعزيز معدل توسع الكون بعامل مرتبط بالجاذبية المعدلة، فإن المعايير المطلوبة لتفسير الحدث المنفرد في بيانات "لوكس-زيبلين" تتناسب تماماً مع كمية المادة المظلمة التي نراها في السماء. يحدد البحث نطاقات محددة لكتلة المادة المظلمة وقوة تفاعلها التي تستوفي كلاً من حدث الاصطدام المنفرد والوفرة الكونية للمادة المظلمة.

كما يحلل البحث هذه الأفكار مقابل حقائق أخرى معروفة. يجب ألا تكون الجسيمات المقترحة قد رُصدت في تجارب أخرى، مثل تلك التي تبحث عن جسيمات جديدة في مصادم الهادرونات الكبير أو في تجارب "مصب الشعاع" (beam-dump). يجد البحث أنه بينما تم استبعاد بعض أجزاء التفسير المقترح بواسطة البيانات الموجودة بالفعل، فإن جزءاً كبيراً من الإعدادات المحتملة لا يزال مفتوحاً وغير مختبر. وهذا يعني أن النظرية لا تزال حية وتنتظر المزيد من البيانات. ويشير الباحث إلى أنه إذا تمكنت التجارب المستقبلية من اكتشاف الفوتون المظلم، أو إذا جمعت تجربة "لوكس-زيبلين" مزيداً من البيانات، فقد يؤكد ذلك أو ينفي هذا التفسير المحدد. علاوة على ذلك، إذا توسع الكون المبكر بهذه السرعة، فقد يكون قد ترك خلفه خلفية باهتة من موجات الجاذبية يمكن لأجهزة الكشف المستقبلية العثور عليها، مما يوفر طريقة ثانية لاختبار هذه القصة.

في النهاية، يشير هذا العمل إلى أن حدثاً غريباً واحداً في خزان تحت الأرض يمكن أن يكون دليلاً يشير نحو تغيير جوهري في فهمنا للجاذبية والكون المبكر. إنه لا يثبت أن الجاذبية المعدلة حقيقية، ولا يؤكد أن حدث "لوكس-زيبلين" هو بالتأكيد مادة مظلمة. بدلاً من ذلك، هو يوضح أنه إذا افترضنا أن الكون توسع بشكل مختلف في طفولته، فإن الحدث الغريب يصبح إشارة معقولة لنوع محدد من المادة المظلمة التي ستكون لولا ذلك ضعيفة جداً بحيث لا يمكن اكتشافها. يقدم البحث مساراً متماسكاً للمضي قدماً، موضحاً كيف يمكن لخلل واحد أن يدفعنا لإعادة التفكير في تاريخ الكون وطبيعة المادة غير المرئية التي تمسك به.