A DM candidate indicated at Fermi-LAT and LZ ? Connection with LHC and LC prospects

لعقود من الزمن، طارد الفيزيائيون شبحاً يشكل معظم مادة الكون، لكنه يرفض الكشف عن نفسه. هذه المادة غير المرئية، المعروفة باسم المادة المظلمة، لا تنبعث منها أضواء، ولا تتفاعل مع الذرات العادية التي تبني عالمنا، ومع ذلك فإن جاذبيتها هي التي تمسك بالمجرات معاً. وللعثور عليها، يبحث العلماء بطريقتين رئيستين: إما بانتظار اصطدام جسيمات المادة المظلمة بكواشف موجودة في أعماق الأرض، أو بالبحث عن الوهج الخافت للضوء عالي الطاقة الناتج عندما تصطدم هذه الجسيمات وتدمر بعضها البعض في الفضاء. والسؤال الذي يقود الأبحاث الأخيرة بسيط ولكنه عميق: إذا وجدنا أخيراً مرشحاً لهذه الكتلة المفقودة، فما نوع هذا الجسيم، وكيف يتصرف؟

يجمع تحليل جديد بين اكتشافين يبدوان غير مرتبطين لاقتراح إجابة جريئة. فقد رصد باحثون في تلسكوب "فيرمي-لات" (Fermi-LAT) الفضائي فائضاً غير متوقع من الفوتونات النشطة، أو جسيمات الضوء، متمركزة حول 20 جيجا إلكترون فولت في هالة مجرتنا. وفي الوقت نفسه، سجل كاشف "لوكس-زيبلين" (LUX-ZEPLIN)، وهو خزان ضخم من الزينون السائل مدفون في أعماق الأرض، حدثاً واحداً يبدو وكأنه جسيم مادة مظلمة يصطدم بذرة زينون. هذا الحدث مهم لأن الطاقة المترسبة كبيرة جداً لدرجة أنه من المستحيل تقريباً الخلط بينها وبين الضوضاء الخلفية. وعند الجمع بين هذين الإشارتين، فإنهما يشيران إلى جسيم مادة مظلمة بكتلة تبلغ بضع مئات من الجيجا إلكترون فولت. ومع ذلك، يظل هناك لغز: إذا كان هذا الجسيم موجوداً، فلما-ذا لا نرى الإشارة نفسها في المجرات القزمة، وهي مجرات غنية بالمادة المظلمة ولكنها تفتقر إلى الإشارة التي نراها في مجرتنا؟

يقترح مؤلفو هذه الدراسة أن الحل يكمن في سرعة الجسيمات وطبيعة القوة التي تستخدمها للتفاعل. ففي مجرتنا، تتحرك جسيمات المادة المظلمة بسرعة أكبر بكثير مما هي عليه في المجرات القزمة الهادئة وبطيئة الحركة. ويقترح الباحثون أن هذه الجسيمات لا تصطدم مباشرة، بل تتفاعل من خلال جسيم ثقيل وقصير العمر له دوران (spin) قدره اثنين، يُعرف باسم "غرافيتون كالوزا-كلاين" (Kaluza-Klein graviton). ويعتمد هذا النوع المحدد من التفاعل بشكل كبير على السرعة؛ ولأن الجسيمات في المجرات القزمة تتحرك ببطء شديد، فإن فرصة اصطدامها وإنتاج الضوء تنخفض بشكل كبير، مما يفسر سبب ظهور تلك المجرات البعيدة صامتة. وتتناقض هذه الآلية بشكل صارخ مع النظريات القديمة التي اقترحت أن المادة المظلمة هي نوع من الجسيمات يسمى "هيجسينو" (Higgsino)، والذي سيتفاعل بشكل مختلف ويتنبأ بكتلة أكبر بكثير لا تتناسب مع البيانات الحالية.

ويأتي الدعم لهذه الفكرة من مصادم الهادرونات الكبير، حيث يبحث العلماء عن علامات لأبعاد إضافية. وتشير البيانات من هذه الاصطدامات إلى وجود "برج" من جسيمات الغرافيتون الثقيلة هذه، بكتل تظهر عند فترات محددة، مثل حوالي 380 جيجا إلكترون فولت، و700 جيجا إلكترون فولت، و1 تيرا إلكترون فولت. ويمكن لأحد هذه الرنينات أن يكون هو الجسيم نفسه الذي يسمح للمادة المظلمة بالإبادة في مجرتنا. وإذا كان هذا التفسير صحيحاً، فإنه يغير قواعد اللعبة؛ إذ يشير إلى أن المادة المظلمة التي نبحث عنها ليست "الهيجسينو" الثقيل الذي تتنبأ به النظريات القياسية غالباً، بل هي جسيم أخف، ربما يبلغ حوالي 190 جيجا إلكترون فولت، يرتبط برنينات الغرافيتون هذه.

إن التداعيات على التجارب المستقبلية هائلة. فإذا كانت رنينات الغرافيتون هذه موجودة وتتفاعل مع الإلكترونات، فإن مصادم إلكترون-بوزيترون مستقبلي يمكن أن يعمل كمصنع لإنتاجها بوفرة. ويحسب الباحثون أن مثل هذه الآلة يمكن أن تولد آلافاً من هذه الجديمات، مما يسمح للعلماء بدراسة خصائصها بالتفصيل والتأكد مما إذا كانت هي بالفعل مفتاح المادة المظلمة. وبينما لا تزال الأدلة الحالية في طور التراكم، مع إظهار بيانات "فيرمي-لات" لنتوء طفيف في طيف الفوتونات ورؤية المصادم للهادرونات الكبير لبوادر هذه الرنينات، فإن التقارب في الإشارات من الفضاء، ومن تحت الأرض، ومن مصادمات الجسيمات يقدم صورة متماسكة. وإذا تم تأكيد ذلك، فلن يحدد هذا المادة المظلمة فحسب، بل سيوفر أيضاً أول دليل ملموس على وجود أبعاد إضافية وطبقة جديدة من الواقع تكمن تحت عالمنا.