$SU(\mathcal{N})$ baryon formation in the early Universe and dark matter

في البنية الخفية والواسعة للكون، يبرز لغز مستمر يتعلق بطبيعة المادة المظلمة. فبينما يمكننا رؤية النجوم والمجرات، تظل غالبية كتلة الكون مخفية، تمارس جاذبيتها لكنها ترفض انبعاث أو عكس الضوء. لعقود من الزمن، اقترح علماء الفيزياء أن هذه الكتلة المفقودة تتكون من جسيمات غير مكتشفة، متخيلين إياها غالباً ككيانات بسيطة ومنعزلة. ومع ذلك، تشير فكرة مقنعة أخرى إلى أن المادة المظلمة قد تكون مكونة من هياكل مركبة ومعقدة، تماماً مثل البروتونات والنيوترونات التي تشكل ذرات أجسادنا. هذه الجسيمات الافتراضية ستكون "باريونات" تشكلت بفعل نوع جديد من القوى التي تربطها معاً، على غرار القوة النووية القوية التي تربط الكواركات في عالمنا. والسؤال الحاسم لعلماء الكونيات هو كيف أمكن لهذه الهياكل المعقدة أن تتشكل في البيئة الفوضوية وعالية الطاقة للكون المبكر دون أن تُدمر قبل أن تصبح المادة المظلمة التي نرصدها اليوم.

لقد استقصى فريق من الباحثين الآن عملية التشكيل هذه لفئة محددة من النظريات حيث تتضمن قوة الربط عدداً كبيراً من "الألوان"، وهي خاصية تشبه الشحنة الكهربائية ولكنها مخصصة لهذه القوة الجديدة. في عالمنا المألوف، تأتي القوة التي تربط الكواركات في ثلاثة أنواع، مما يسمح لها بالاندماج في مجموعات من ثلاثة لتكوين جسيمات مستقرة. استكشف الباحثون ما سيحدث إذا كانت هذه القوة تأتي في أنواع أكثر بكما، وتحديداً اثني عشر، أو ثمانية عشر، أو حتى واحد وعشرين نوعاً. لقد سعوا لمحاكاة اللحظة التي تبرد فيها درجة حرارة الكون بما يكفي لتصبح هذه القوى قادرة على العمل، مما يحجز الجسيمات حرة الطيران في حالات مرتبطة. كان هدفهم هو تحديد ما إذا كان بإمكان هذه الجسيمات المركبة أن تتجمع بنجاح لتشكل مرشحات مادة مظلمة مستقرة ومعتدلة، أم أن العملية ستكون محبطة بسبب طبيعة القوى المعنية.

كشفت المحاكاة عن عقبة كبيرة تظهر عندما يزداء عدد أنواع القوة. في الكون المبكر، ومع انخفاض درجة الحرارة، بدأت الجسيمات الحرة في التكتل. وجد الباحثون أنه بينما يمكن للجسيمات أن تزدوج بسهولة لتشكل هياكل بسيطة مكونة من جسيمين تُعرف باسم "الميزونات"، فإن المسار نحو بناء الباريونات الأكبر متعددة الجسيمات كان معاقاً بشدة. يحدث هذا الانسداد لأن القوة التي تسحب جسيماً واحداً إلى عنقود متنامٍ أضعف بكثير من القوة التي تسحب جسيماً وجسيماً مضاداً معاً لتكوين ميزون. ونتيجة لذلك، يتم استهلاك اللبنات الأساسية للباريونات الكبيرة بسرعة من خلال تكوين الميزونات. يصف الباحثون هذا بأنه "عنق زجاجة": خط التجميع لجسيمات المادة المظلمة المعقدة مسدود لأن المكونات يتم تحويلها إلى هياكل أبسط منافسة قبل اكتمال البناء الأكبر.

يصبح هذا التأثير أقوى بشكل دراماتيكي مع زيادة عدد أنواع القوة. في حالة وجود اثني عشر نوعاً، حسب الباحثون أن عدد الباريونات الناجحة المتكونة قد تم تقليصه إلى جزء ضئيل مما كان متوقعاً في نظام أبسط. وبالنسبة لثمانية عشر نوعاً، يكون التثبيط أكثر تطرفاً، حيث يقلل العائد بمقدار عشرة أس ٢٣. وهذا يعني أنه بالنسبة لهذه الأنظمة الأكبر، لا ينتج الكون أي باريونات مستقرة تقريباً. إن القلة التي تتشكل هي نادرة جداً لدرجة أنه لتعويض إجمالي كمية المادة المظلمة التي نرصدها اليوم، يجب أن يكون كل جسيم فردي ضخماً للغاية. في الواقع، بالنسبة لأكبر أعداد الأنواع التي تمت دراستها، ستتجاوز الكتلة المطلوبة الحدود النظرية التي تضعها قوانين ميكانيكا الكم، مما يشير إلى أن مثل هذه الجسيمات الثقيلة لا يمكن أن توجد ببساسا بالطريقة التي يصفها النموذج.

ولجعل نموذجهم واقعياً، ضمن الباحثون أيضاً أن الجسيمات يمكنها التفاعل مع القوى المعروفة في الطبيعة بطريقة تسمح للجسيمات غير المستقرة بالتحلل بأمان. لقد صاغوا سيناريو يتضمن ثلاثة أنواع من الجسيمات، على غرار الكواركات "العلوي" و"السفلي" و"الغريب" في عالمنا، مما يسمح بوجود باريون محايد ومستقر يمكن أن يعمل كمادة مظلمة. في هذا الإعداد، أي نسخ غير مستقرة أو مشحونة من هذه الجسيمات ستتحلل إلى إشعاع غير ضار قبل تشكل النجوم الأولى، مما يضمن عدم تداخلها مع التاريخ المعروف للكون. تؤكد الدراسة أنه بينما يعد وجود جسيم مادة مظلمة محايد ومستقر أمراً ممكناً نظرياً في هذه النماذج، فإن الآلية التي تخلقه غير فعالة للغاية بالنسبة لأعداد كبيرة من أنواع القوة، بحيث ستكون الجسيمات الناتجة أثقل بكثير من أن تكون مرشحات صالحة للمادة المظلمة التي تملأ كوننا.

إن تداعيات هذا العمل عميقة. فهي تشير إلى أنه إذا كانت المادة المظلمة مكونة بالفعل من مثل هذه الهياكل، فإن القوة الكامنة لا يمكن أن تمتلك الكثير من الأنواع، وإلا فإن الكون سيفشل ببساطة في إنتاج ما يكفي منها. بالنسبة للنماذج ذات العدد المتوسط من الأنواع، مثل اثني عشر نوعاً، يمكن أن يوجد مرشح مادة مظلمة مستقر، لكنه سيحتاج إلى أن يكون ثقيلاً للغاية، حيث يزن حوالي مائة ألف ضعف كتلة البروتون. وهذا يضع قيوداً صارمة على كيفية بناء هذه النظريات واختبارها. ويخلص الباحثون إلى أنه بينما تظل فكرة المادة المظلمة المركبة إمكانية رائعة، فإن الآلية المحددة لتشكلها تعمل كمرشح قوي، مما يستبعد النسخ الأكثر تعقيداً من النظرية ويوجه نحو مسار أضيق بكثير للاستكشاف المستقبلي.