Endothermic Dark Matter at LZ from a Decaying Parent

في أعماق الأرض، داخل خزان من الزينون السائل المحمي من ضجيج الكون، يستمع العلماء إلى همسة. إنهم يستمعون إلى المادة المظلمة، تلك المادة غير المرئية التي تشكل معظم كتلة الكون ولكنها ترفض التفاعل مع الضوء أو المادة العادية بأي طريقة يمكننا رؤيتها بسهولة. لعقود من الزمن، كانت الفكرة السائدة هي أن المادة المظلمة عبارة عن سحابة باردة وبطيئة الحركة من الجسيمات التي تنجرف عبر مجرتنا. ولو اصطدمت هذه الجسيمات بذرة زينون، فإنها ستنقل كمية ضئيلة من الطاقة، مما يسبب ارتداد الذرة. ومع ذلك، فإن ملاحظة حديثة من تجربة "لوكس-زيبلين" (LUX-ZEPLIN) قد وضعت عقبة في طريق هذه الصورة البسيطة. فقد رصد الكاشف حدثاً واحداً حيث ارتدت نواة زينون بطاقة عالية بشكل مفاجئ، بلغت حوالي 248 كيلو إلكترون فولت. وهذه الطاقة أعلى بكثير مما يمكن لجسيم مادة مظلمة بطيء الحركة أن يوفره، كما أن غياب أحداث أخرى مماثلة عند طاقات أقل يشير إلى أن التفسير المعتاد قد يكون غير مكتمل. لقد أجبر هذا الإشارة الوحيدة والعنيدة الفيزيائيين على طرح سؤال جديد: هل يمكن أن تكون المادة المظلمة التي تصطدم بكواشفنا تتحرك بسرعة أكبر بكثير مما هو متوقع، أم أنها قد تصل في شكل مختلف تماماً؟

اقترح فريق من الباحثين من جامعة يونسي والمعهد الكوري للدراسات المتقدمة إجابة محددة لهذا اللغز. فهم يقترحون أن المادة المظلمة التي تصطدم بالكاشف ليست تلك المادة الباردة والبطيئة التي نتخيلها عادةً، بل هي تيار من الجسيمات النشطة الناتجة عن اضمحلال جسيم أب أثقل وطويل العمر. تخيل جسيماً ثقيلاً وغير مستقر كان يسافر عبر المجرة لمليارات السو من السنين. وفي النهاية، يتفكك إلى جسيمين أخف وأسرع. هذه الجسيمات الجديدة هي التي تصل إلى الأرض. ولأنها وُلدت من أب ثقيل، فهي تحمل قدراً كبيراً من السرعة والطاقة. وعندما يصطدم أحد هذه الجسيمات سريعة الحركة بذرة زينون، يمكنه إحداث نوع معين من التفاعل يسمى "التشتت الماص للحرارة" (endothermic scattering). في هذه العملية، يتطلب التصادم حداً أدنى من الطاقة لمجرد البدء، تماماً كما تحتاج السيارة إلى سرعة دنيا لتسلق تلة شديدة الانحدار. وإذا امتلك الجسيم القادم طاقة كافية لتجاوز تلك التلة، فإن الارتداد الناتج يحدث عند مستوى طاقة عالٍ ومحدد للغاية. وتفسر هذه الآلية بشكل طبيعي سبب رصد الكاشف لإشارة عند 248 كيلو إلكترون فولت وليس عند طاقات أقل، حيث تعمل فيزياء التصادم على تصفية أي شيء لا يمتلك السرعة المناسبة.

بنى الباحثون نموذجاً مفصلاً لاختبار ما إذا كانت هذه الفكرة ستنجح. بدأوا بحساب خصائص الجسيم الأب الافتراضي وأبنائه. ووجدوا أنه إذا كان للجسيم الأب كتلة تبلغ حوالي 506 ميجا إلكترون فولت وينحل إلى جسيمين أخف، أحدهما يبلغ حوالي 10 ميجا إلكترون فولت، فإن تيار الجسيمات الناتج سيكون لديه الطاقة الصحيحة تماماً لإنتاج الإشارة المرصودة. وكان جزء حاسم من عملهم يتضمن حساب حركة الأرض والجسيمات الأبوية نفسها. تماماً كما يتغير حدة صوت سيارة الإسعاف أثناء مرورها بجانبك، تتغير طاقة الجسيمات قلي ببطء اعتماداً على كيفية تحرك المصدر والمراقب بالنسبة لبعضهما البعض. وقد ضمن الفريق هذا التأثير، المعروف باسم "توسيع دوپلر" (Doppler broadening)، في حساباتهم. واكتشفوا أنه حتى مع هذا الانتشار الطبيعي للطاقات، تظل الإشارة حادة ومركزة حول علامة 248 كيلو إلكترون فولت، مما يطابق الحدث الوحيد الذي رصدته تجربة "لوكس-زيبلين".

لجعل هذا السيناريو يتناسب مع البيانات، تعين على الباحثين تحديد مدى تكرار اضمحلال الجسيم الأب الثقيل. ووجدوا أنه لكي يكون تيار الجسيمات قوياً بما يكفي لإنتاج حدث واحد فقط في فترة تعرض الكاشف، يجب أن يكون الجسيم الأب طويل العمر بشكل لا يصدق. إذ يحتاج إلى البقاء لمدة تقارب 4.4 × 10 أس 20 ثانية قبل أن يضمحل. وهذا المدى الزمني شاسع جداً لدرجة يصعب استيعابها، فهو يتجاوز العمر الحالي للكون بكثير. يفسر هذا الطول الاستثنائي في العمر سبب عدم رؤيتنا لفيضان من هذه الجسيمات؛ فهي نادرة، ولكن العدد الهائل منها في المجرة يعني أن واحداً منها سيجد طريقه أحياناً إلى كاشفنا. كما تحقق الفريق من الآثار الجانبية. فإذا كان هذا السيناريو صحيحاً، فينبغي أن تكون هناك أنواع أخرى من التفاعلات تحدث في نفس الوقت، مثل ارتداد الجسيمات عن الزينون دون فقدان طاقة. وأظهرت حساباتهم أنه لكي يعمل النموذج، يجب أن تكون هذه التفاعلات الأخرى نادرة للغاية، ومثبطة بعامل يزيد عن 10,000 مقارنة بالإشارة الرئيسية. وهذا يضع شرطاً صارماً لأي نظريات مستقبلية تحاول تفسير هذا الحدث.

كما بحثت الدراسة في كيفية سلوك هذا التيار من الجسيمات إذا واجه مواد أخرى. وحسب الباحثون أن هذه الجسيمات السريعة ستمر عبر طبقات الصخور والأرض فوق الكاشف دون أن يتم إيقافها أو إبطاؤها بشكل كبير. سوف تصل إلى خزان الزينون دون عائق تقريباً. علاوة على ذلك، فحصوا كيف سيبدو هذا النموذج للكواشف التي تستخدم عناصر مختلفة، مثل الأرجون أو الجرمانيوم. ووجدوا أن الإشارة ستكون مختلفة تماماً لهذه المواد الأخرى، حيث قد لا يرى بعضها أي أحداث على الإطلاق بينما قد يرى البعض الآخر نمطاً مختلفاً. وهذا يوفر طريقة لاختبار الفكرة: إذا رأت التجارب المستقبلية بمواد مختلفة الأنماط المحددة التي يتنبأ بها هذا النموذج، فإن ذلك سيدعم بقوة فرضية الاضمحلال. وإذا رأت شيئاً آخر، فيمكن استبعاد الفكرة.

في نهاية المطاف، لا تدعي هذه الورقة البحثية أنها حلت لغز المادة المظلمة. فرصد حدث واحد ليس كافياً لتأكيد نظرية جديدة، والباحثون حذرون في ذكر أن عملهم هو حساب للاحتمالات، وليس اكتشافاً لجسيم جديد. بدلاً من ذلك، قدموا مخططاً رياضياً ملموساً لكيفية قيام أب مادة مظلمة متحلل بخلق الإشارة المحددة التي رصدها "لوكس-زيبلين". لقد أظهروا أن الفيزياء تسمح بمثل هذا السيناريو، بشرط أن يعيش الجسيم الأب لفترة طويلة بشكل لا يمكن تصوره وأن يتفاعل مع المادة العادية بطريقة ضعيفة ومحددة للغاية. ومن خلال وضع الشروط الدقيقة المطلوبة لحدوث ذلك، بما في ذلك الكتلة اللازمة، والعمر، وقوة التفاعل، فقد قدموا للمجتمع العلمي هدفاً واضحاً. يمكن للتجارب المستقبلية الآن البحث عن هذه البصمات المحددة، إما بتأكيد سيناريو الاضمحلال هذا أو بإغلاق الباب أمامه، مما يقربنا خطوة واحدة من فهم الكتلة غير المرئية التي تمسك بالكون معاً.