A closer look at the LZ 248 keV event through the lens of cosmic-ray boosted dark matter

في أعماق ما تحت سطح الأرض، داخل خزان من الزينون السائل المحفوظ في درجة حرارة أبرد من الفضاء الخارجي، يستمع العلماء لأخفت همسة ممكنة من أكثر سكان الكون غموضاً: المادة المظلمة. لعقود من الزمن، اقترحت النظرية الرائدة أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات ثقيلة وبطيئة الحركة تصطدم أحياناً بنوى ذرية، تاركة وراءها وميضاً ضوئياً ضئيلاً. ومع ذلك، رصدت تجربة "لوكس-زيبلن" (LUX-ZEPLIN)، الواقعة في منجم ذهب سابق في داكوتا الجنوبية، مؤخراً حدثاً واحداً محيراً. فقد ارتدت نواة في الكاشف بطاقة قدرها 248 كيلو إلكترون فولت، وهي قيمة أعلى بكثير مما تتنبأ به نماذج المادة المظلمة القياسية عادةً. هذا الوميض الوحيد، الذي حدث في منطقة يُتوقع أن يكون فيها الضجيج الخلفي في حده الأدنى، أثار خطاً جديداً من البحث. فهل يمكن أن يكون هذا علامة على نوع مختلف من المادة المظلمة، نوع تم منحه دفعة سرعة هائلة من خلال الاصطدام بالأشعة الكونية عالية الطاقة؟

لفهم هذا الاحتمال، يجب على المرء أولاً أن يتصور بحر المادة المظلمة غير المرئي الذي يحيط بمجرتنا. في الرؤية القياسية، تنجرف هذه الجسيمات ببطء، مثل ذرات الغبار في شعاع شمس. لكن الكون مليء أيضاً بالأشعة الكونية، وهي بروتونات ونوى ذرية أخرى تسافر بسرعة تقارب سرعة الضوء. إذا اصطدم جسيم مادة مظلمة بطيء الحركة بالصدفة بأحد هذه الأشعة الكونية السريعة، فيمكن دفعه للأمام، ليكتسب سرعة وطاقة هائلتين. وهذا يخلق مجموعة من المادة المظلمة "المعززة" التي تتحرك بسرعة أكبر بكثير من نظيراتها العادية. وعندما تصطدم هذه الجسيمات عالية السرعة أخيراً بكاشف في أعماق الأرض، يمكنها نقل كمية أكبر بكثير من الطاقة إلى ذرة مما يمكن لجسيم بطيء أن يفعل، مما قد يفسر وميض الطاقة العالي بشكل غير عادي الذي رصده فريق "لوكس-زيبلن".

قام فريق من علماء الفيزياء الآن بإلقاء نظرة فاحصة على هذا الحدث المحدد (248 كيلو إلكترون فولت) لمعرفة ما إذا كان سيناريو "تعزيز الأشعة الكونية" هذا يصمد أمام التدقيق الصارم. وقد ركزوا تحقيقهم على نوع محدد من التفاعل حيث يتفاعل جسيم المادة المظلمة مع دوران النواة الذرية، بدلاً من مجرد كتلتها. وباستخدام نماذج حاسوبية متطورة تأخذ في الاعتبار حقيقة أن هذه الجسيمات المعززة تتحرك بسرعات نسبوية، قام الباحثون بمحاكاة كيفية إنشاء مثل هذه الجسيمات بواسطة الأشعة الكونية، وكيفية انتقالها عبر الأرض، وكيف ستصطدم أخيراً بذرات الزينون في الكاشف. كان هدفهم هو تحديد ما إذا كان هذا الآلية يمكن أن تنتج حدثاً واحداً بالضبط عند تلك الطاقة العالية دون إنتاج فيض من الأحداث ذات الطاقة المنخفضة التي كان ينبغي للتجربة أن تكون قد رصدتها بالفعل.

وجد الباحثون أن التفاعل المعتمد على الدوران يقدم تفسيراً واعداً لشكل طيف الطاقة. فخلافاً للنماذج الأخرى التي قد تتنبأ بتدفق مستمر من الضربات منخفضة الطاقة، فإن هذا التفاعل المحدد يركز الأحداث طبيعياً بالقرب من الطاقة العالية المرصودة، تاركاً المناطق ذات الطاقة المنخفضة فارغة، تماماً كما تظهر البيانات. ومع ذلك، عندما حاولوا تفسير الحدث باستخدام اتصال مباشر بسيط بين المادة المظلمة والنواة، تعثرت الرياضيات. فقد كانت قوة التأثير المطلوبة لإنتاج الحدث الملحوظ شديدة لدرجة أنها أشارت إلى مقياس طاقة منخفض للغاية بحيث لا تظل الأدوات الرياضية القياسية المستخدمة في فيزياء الجسيمات صالحة للاستخدام. كان الأمر كما لو أن النظرية تتطلب من الجسيمات أن تتفاعل بطريقة لا يمكن للإطار الحالي وصفها ببساطة دون أن ينهار.

ولحل هذا التناقض، اقترح الفريق أن التفاعل ليس اتصالاً مباشراً، بل يتم بوساطة جسيم ثقيل جديد يعمل كرسول. وتحديداً، وجدوا أن جسيماً افتراضياً بكتلة تبلغ حوالي 300 ميجا إلكترون فولت يمكنه سد الفجوة. هذا الجسيم الوسيط سيسمح للمادة المظلمة بنقل الطاقة إلى النواة بطريقة تتوافق تماماً مع البيانات المرصودة، مما ينتج الحدث الواحد عالي الطاقة مع تجنب إنتاج إشارات غير مرغوب فيها منخفضة الطاقة. ويعتمد هذا الحل على تفاعل المادة المظلمة من خلال نوع معين من حاملات القوة التي لم تُكتشف بعد، ولكنها تتوافق مع المتطلبات الرياضية للملاحظة.

خلصت الدراسة إلى أنه بينما تعد فكرة المادة المظلمة المعززة بالأشعة الكونية والتي تتفاعل عبر قوة تعتمد على الدوران مرشحاً قوياً لتفسير حدث "لوكس-زيبلن"، فإن النسخة الأبسط من هذه النظرية غير كافية. تشير البيانات إلى سيناريو أكثر تعقيداً يتضمن وسيطاً جديداً من فئة "تحت الجي-إي في" (sub-GeV). ويؤكد الباحثون أن نتائجهم تستند إلى عمليات المحاكاة والنمذجة النظرية بدلاً من الكشف المباشر عن هذا الجسيم الجديد. كما أشاروا إلى أن العمل المستقبلي سيحتاج إلى تحسين كيفية فقدان هذه الجسيمات للطاقة أثناء انتقالها عبر الأرض واختبار هذه الأفكار مقابل حدود تجريبية أخرى. وإذا تم تأكيد حدث 248 كيلو إلكترون فولت بواسطة بيانات مستقبلية، فإن هذا النوع المحدد من المادة المظلمة المعززة، التي يتوسطها جسيم ثقيل، قد يوفر دليلاً حاسماً على الطبيعة الحقيقية للمادة المظلمة التي تشكل معظم كتلة الكون.