Solar capture and annihilation of fermionic and scalar dark matter motivated by the LUX-ZEPLIN high-recoil candidate

تعد عملية البحث عن المادة المظلمة واحدة من أكثر التحقيقات عمقاً في الفيزياء الحديثة، مدفوعة بالأدلة الدامغة على أن الكون يحتوي على كتلة أكبر بكثير مما يمكننا رؤيته. فقد لاحظ علماء الفلك منذ فترة طويلة أن النجوم في المجرات تتحرك بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن الحفاظ عليها بواسطة جاذبية المادة المرئية وحدها، وأن الضوء القادم من الأجرام البعيدة ينحني بطرق تتطلب وجود كتلة غير مرئية لتفسير ذلك. هذه المادة غير المرئية، المعروفة باسم المادة المظلمة، يُعتقد أنها تشكل حوالي خمسة وثمانين بالمائة من إجمالي المادة في الكون، ومع ذلك فهي لا تبعث أو تمتص أو تعكس الضوء، مما يجعل اكتشافها مستحيلاً باستخدام التلسكوبات التقليدية. وبدلاً من ذلك، يعتمد العلماء على طرق غير مباشرة، من خلال البحث عن الجذبات الجاذبية الطفيفة التي تمارسها المادة المظلمة على الأجسام المرئية، أو البحث عن تصادمات نادرة بين جسيمات المادة المظلمة والذرات في الكواشف الموجودة في أعماق الأرض.

وتتضمن إحدى الاستراتيجيات الأكثر واعدية البحث عن هذه التصادمات في خزانات ضخمة من الزينون السائل، حيث يؤدي اصطدام جسيم من المادة المظلمة بنواة زينون إلى إنشاء ومضة ضوئية صغيرة وإشارة كهربائية صغيرة. ومؤخراً، أبلغت تجربة "LUX-ZEPLIN"، وهي كاشف رائد من هذا النوع، عن حدث مرشح قد يكون تصادماً للمادة المظلمة. هذا الحدث الوحيد، الذي وقع عند مستوى طاقة محدد، أثار اهتماماً شدوياً لأنه يشير إلى أن المادة المظلمة قد تتفاعل مع المادة العادية بطريقة تتطلب اكتساب جسيم المادة المظلمة كمية صغيرة من الطاقة لتحفيز التصادم. هذا السيناريو، المعروف باسم "التشتت الماص للحرارة" (endothermic scattering)، يقتضي أن تأتي جسيمات المادة المظلمة في شكلين: نسخة أخف وأكثر استقراراً، ونسخة أخرى أثقل قليلاً ومثارة. ولإحداث الإشارة، يجب على جسيم المادة المظلمة امتصاص الطاقة من تصادمه للانتقال من الحالة الخفيفة إلى الحالة الثقيلة. ومع ذلك، فإن هذا الحدث الوحيد لا يخبرنا ما هو جسيم المادة المظلمة في الواقع؛ فقد يكون نوعاً من "الفيرميونات"، وهي فئة من الجسيمات تشمل الإلكترونات والبروتونات، أو قد يكون "سكالار" (كمية قياسية)، وهو نوع مختلف من الجسيمات يتصرف كحقل أكثر من كونه جسماً صلباً. إن التمييز بين هذين الاحتمالين أمر بالغ الأهمية لفهم الطبيعة الجوهرية للكون، ولكن على الأرض، تكون الإشارات التي ينتجها كل منهما متطابقة تقريباً.

ولحل هذا اللغز، وجه فريق من الباحثين اهتمامهم نحو الشمس. لقد طرحوا سؤالاً بسيطاً ولكنه عميق: إذا كان لنوعين مختلفين من المادة المظلمة إنتاج نفس الإشارة تماماً في كاشف زينون على الأرض، فهل تستطيع الشمس التمييز بينهما؟ تعمل الشمس كمصيدة جاذبية هائلة، حيث تجذب جزيئات المادة المظلمة من المجرة. وعندما تصطدم هذه الجسيمات بنوى الذرات داخل الشمس، يمكنها أن تفقد ما يكفي من سرعتها لتصبح محاصرة في مدار حول نواة الشمس. وبمجرد احتجازها، تستمر في الارتداد، وتفقد المزيد من الطاقة مع كل تصادم حتى تستقر في سحابة كثيفة وحارة في المركز. وفي النهاية، تلتقي هذه الجسيمات وتفني بعضها البعض، مطلقةً نيوترينوات عالية الطاقة يمكن رصدها بواسطة التلسكوبات على الأرض. وقد أدرك الباحثون أنه بينما قد يبدو الالتقاط الأولي لهذه الجسيمات متشابهاً لكل من الفيرميونات والسكالارات، فإن ما يحدث بعد ذلك داخل الشمس قد يختلف تماماً.

قام الفريق ببناء محاكاة تفصيلية لمقارنة نموذجين محددين من المادة المظلمة: "ثنائي فيرمي منقسم" (split fermionic doublet) و"ثنائي سكالار خامل" (inert scalar doublet). وقد قاموا بضبط خصائص هذين النموذجين بدقة بحيث ينتجان نفس العدد من التصادمات في كاشف "LUX-ZEPLIN"، مما يجعلهما غير قابلين للتمييز في تجربة أرضية. ثم تتبعوا رحلة هذه الجسيمات أثناء سقوطها في الشمس. وكان الاختلاف الرئيسي يكمن في المدة التي استغرقتها الحالة المثارة قبل أن تضمحل عائدة إلى حالتها الأرضية. بالنسبة للنموذج الفيرمي، تكون الحالة المثارة قصيرة العمر للغاية، حيث تضمحل فوراً تقريباً. أما بالنسبة للنموذج السكالار، فإن الحالة المثارة تعيش لفترة أطول بكثير، حيث تستمر لأيام. وهذا الاختلاف في التوقيت يغير القصة بأكملها عما يحدث داخل الشمس.

في السيناريو الفيرمي، تضمحل الجسيمات بسرعة كبيرة لدرجة أنها تتصرف أساساً كنوع واحد من الجسيمات التي فقدت طاقتها الإضافية بالفعل. فهي تبرد بكفاءة وتستقر في قلب الشمس، حيث تفني نفسها مع شريكها. أما في السيناريو السكالار، فإن الجسيم يبقى في حالته المثارة لفترة أطول بكثير. وخلال هذه الفترة الممتدة، تزداد احتمالية ارتداده عن الذرات الأخرى واكتسابه سرعة، مما قد يؤدي إلى هروبه من جاذبية الشمس قبل أن تتاح له الفرصة للتبرد والاستقرار في النواة. وجد الباحثون أن هذا الاختلاف الطفيف في مدة البقاء يؤدي إلى اختلاف ملموس في النتيجة النهائية. فبينما ينجح كلا النموذجين في التقاط المادة المظلمة والوصول إلى حالة من التوازن حيث يتوازن الالتقاط مع الفناء، إلا أن النموذج السكالار يحتفظ بعدد أقل قليلاً من الجسيمات في النواة. وتحديداً، فإن معدل فناء المادة المظلمة السكالارية أقل بنحو خمسة إلى ثمانية بالمائة من المادة المظلمة الفيرمية، رغم أنهما بدآ بنفس معدل الالتقاط.

هذه النتيجة مهمة لأنها تظهر أن الشمس يمكن أن تعمل كمرشح (فلتر)، يكشف الاختلافات بين نماذج الجسيمات التي تظل مخفية في الكواشف الأرضية. لم يجد الباحثون طريقة لاستبعاد أي من النموذجين تماماً، ولم يثبتوا أن أحدهما هو الإجابة الصحيحة لغز المادة المظلمة. بدلاً من ذلك، أظهروا أن النموذجين، رغم عدم قدرتهما على التمييز بينهما في خزان زينون، يتبعان مسارات تطورية مختلفة داخل النجم. فالجسيمات السكالارية، بسبب حالتها المثارة طويلة العمر، أكثر عرضة للهروب من الشمس، مما يؤدي إلى انخفاض طفيف في إجمالي أحداث الفناء. هذا الفرق صغير، ولكنه ثابت عبر نطاق واس ของ الافتراضات المتعلقة بكثافة المادة المظلمة في مجرتنا والتركيب الداخلي للشمس.

كما بحثت الدراسة في طبيعة الإشارات التي تنتجها عمليات الفناء هذه. فعندما تفني جسيمات المادة المظلمة بعضها البعض، فإنها غالباً ما تنتج أزواجاً من بوزونات W أو Z، وهي جسيمات ثقيلة تحمل القوة النووية الضعيفة. ثم تضمحل هذه البوزونات إلى جسيمات أخرى، بما في ذلك النيوترينوات. ووجد الباحثون أن النماذج الفيرمية والسكالارية تنتج هذه البوزونات بخصائص مختلفة، مثل حالات استقطاب مختلفة، مما سيؤدي إلى أطياف طاقة مختلفة قليلاً للنيوترينوات الناتجة. وعندما قارنوا إشارات النيوترينو المتوقعة ببيانات موجودة من مرصد "IceCube" للنيوترينو، وجدوا أن الإشارات المتوقعة لكلا النموذجين كانت أقوى من الحدود الحالية التي وضعها "IceCube" لنوع معين من المادة المظلمة. ومع ذلك، تمت هذه المقارنة عند مستوى المصدر، مما يعني أنها لم تأخذ في الاعتبار جميع التعقيدات المتعلقة بكيفية انتقال النيوترينوات عبر الشمس أو كيفية استجابة الكاشف لها. لذلك، لا يشكل هذا الاكتشاف استبعاداً نهائياً لأي من النموذجين، ولكنه يسلط الضوء على أن النموذجين سينتجان بصمات نيوترينو متميزة يمكن للتحليلات المستقبلية الأكثر تفصيلاً أن تميز بينها.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل أداة جديدة لسبر أغوار طبيعة المادة المظلمة. فهو يوضح أنه حتى عندما يتنبأ نموذجان بنفس الإشارة في تجربة الكشف المباشر، فإن البيئة الفيزيائية الفلكية للشمس يمكنها كشف الاختلافات الكامنة بينهما. لم يكتشف الباحثون ماهية المادة المظلمة، لكنهم أظهروا كيف يمكن للشمس أن تساعدنا في التمييز بين مرشحين متشابهين جداً. ومن خلال الجمع بين بيانات الكواشف تحت الأرض وفيزياء التطور النجمي، يمكن للعلماء البدء في تضييق النطاق الواسع لنظريات المادة المظمالتة الممكنة. وتؤكد الدراسة أن الشمس ليست مجرد مراقب سلبي في البحث عن المادة المظلمة، بل هي مختبر نشط تتجلى فيه الديناميكيات الدقيقة لفيزياء الجسيمات على نطاق واسع، مما يقدم منظوراً تكميلياً لا تستطيع التجارب الأرضية وحدها توفيره.