Revisiting neutrino-assisted self-interacting dark matter

يمتلئ الكون بمادة غامضة تسمى المادة المظلمة. لا يمكننا رؤيتها، وهي لا تنبعث منها أضواء، لكننا نعلم بوجودها لأن جاذبيتها هي التي تمسك بالمجرات معاً. لعقود من الزمن، تعامل النموذج المعياري لعلم الكونيات مع هذه المادة المظلمة كأنها حشد شبحي من الجسيمات التي لا تصطدم ببعضها البعض أبداً، وتمر عبر بعضها البعض مثل الأرواح غير المرئية. ومع ذلك، لاحظ علماء الفلك أن مراكز بعض المجرات تبدو مختلفة عما يتنبأ به هذا النموذج الشبحي. إذ يبدو أن النجوم والغاز في هذه النوى الكثيفة تتفاعل بطرق تشير إلى أن جسيمات المادة المظلمة قد تصطدم بالفعل، وتتصادم مع بعضها البعض وتعيد توزيع طاقتها. تُعرف هذه الفكرة باسم المادة المظلمة ذات التفاعل الذاتي، وهي تقدم حلاً مقنعاً لهذه الألغاز الكونية على المقاييس الصغيرة. ولإنجاح هذا الأمر، ستحتاج جسيمات المادة المظلمة إلى التفاعل بقوة كافية لإحداث هذه الاصطدامات، ولكنها يجب أن تكون ضعيفة بما يكفي لتجنب تعطيل البنية الأكبر للكون.

تتضمن إحدى الاحتمالات المثيرة للاهتمام لمثل هذه القوة وجود النيوترينو، وهو جسيم ضئيل يكاد يكون عديم الكتلة، يندفع عبر الكون بأعداد هائلة. وقد اقترح المنظرون أن المادة المظلمة يمكن أن تتفاعل مع النيوترينوات، مما يخلق قوة بعيدة المدى تجذب جسيمات المادة المظلمة معاً. هذه "قوة النيوترينو" يمكنها، من الناحية النظرية، أن تكون قوية بما يكفي لتفسير السلوك الملحوظ للمجرات دون الحاجة إلى جسيمات جديدة غير مكتشفة. إنها فكرة أنيقة لأنها تربط بين اثنين من أكثر مكونات الكون استعصاءً على الفهم: المادة المظلمة غير المرئية والنيوترينوات الشبحية. وإذا كان هذا صحيحاً، فهذا يعني أن المادة المظلم في كوننا ليست مجرد خلفية صامتة وسلبية، بل هي مادة ديناميكية تشعر بوجود حمام النيوترينوات المحيط بها.

قام فريق من الباحثين من جامعة يانتاي في الصين مؤخراً بمحاولة اختبار ما إذا كانت هذه القوة التي يساعد فيها النيوترينو يمكن أن تكون هي الإجابة بالفعل. لم ينظروا إلى القوة في عزلة فحسب؛ بل بنوا صورة كاملة تتضمن كيفية نشوء المادة المظلمة في الكون المبكر، وكيف تبرد، وكيف تتصرف في ظل القواعد الصارمة للفيزياء الحديثة. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت قوة النيوترينو يمكن أن تنتج بشكل طبيعي مستوى التفاعل الذاتي المطلوب لحل المشكلات في مراكز المجرات، مع الالتزام أيضاً بالحدود المعروفة من تجارب فيزياء الجسيمات والملاحظات الكونية. وقد فحصوا طريقتين محددتين يمكن أن يحدث من خلالهما هذا التفاعل، حيث تعاملوا مع القوة كما لو كانت محمولة بواسطة جسيم جديد خفيف الوزن يعمل كوسيط بين المادة المظلمة والنيوترينوات.

وجد الباحثون أن الإجابة تعتمد بشدة على أي من نموذجي التفاعل هو الصحيح، وفي كلتا الحالتين، تقصر قوة النيوترينو عن أداء المهمة. في السيناريو الأول، يتصل الجسيم الوسيط بالمادة المظلمة والنيوترينوات بشكل منفصل. في هذه الحالة، يمكن لقوة النيوترينو بالفعل أن تغير كيفية تشتت جسيمات المادة المظلمة، ولكن فقط إذا كان الاتصال بين الوسيط والنيوترينوات قوياً جداً. ومع ذلك، عندما طبق الباحثون الحدود الواقعية من التجارب المختبرية والملاحظات للكون المبكر، وجدوا أن هذا الاتصال يجب أن يكون أضعف بكثير مما هو مطلوب. وبمجرد تطبيق هذه الحدود الصارمة، فإن النقاط في نموذجهم التي تنجح في إنتاج الكمية الصحيحة من المادة المظلمة في الكون تظهر مساهمة ضئيلة جداً من قوة النيوترينو. بدلاً من ذلك، تهيمن الاصطدامات على هذه العملية نتيجة تفاعل مباشر وأكثر بساطة بين جسيمات المادة المظلمة نفسها. ففي هذه النسخة القابلة للتطبيق من النموذج، تكون قوة النيوترينو أضعف من أن تؤثر.

السيناريو الثاني أكثر تقييداً. هنا، يتصل الجسيم الوسيط بالمادة المظلم والنيوترينوات بشكل مباشر. في هذا الإعداد، يتم تحديد قوة التفاعل من خلال المتطلب الذي يقضي بضرورة إنتاج المادة المظلمة بالكمية الصحيحة خلال الانفجار العظيم. وهذا يخلق قيداً وثيقاً: إذا كانت القوة قوية جداً، فسيتم تدمير الكثير من المادة المظلمة في الكون المبكر، مما يترك لنا الكمية الخاطئة اليوم. وإذا كانت القوة ضعيفة بما يكفي لترك الكمية الصحيحة من المادة المظلمة، فستكون أضعف بكثير من أن تسبب الاصطدامات اللازمة لإصلاح هياكل المجرات. لقد حسب الباحثون أن التشتت الذاتي في هذا النموذج أضعف بأكثر من عشرة مليارات مرة مما هو مطلوب لتفسير مراكز المجرات المرصودة. وقد أكدوا هذه النتيجة من خلال عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة تتبعت حركة الجسيمات وتطور درجة حرارة الكون، ولم يجدوا أي طريقة لتعزيز القوة دون كسر قواعد الفيزياء.

كشفت الدراسة أيضاً عن تفصيل مهم حول كيفية تبريد المادة المظلم في الكون المبكر. في السيناريو الأول، اكتشف الباحثون أن الطريقة القياسية لحساب كمية المادة المظلمة المتبقية من الانفجار العظيم يمكن أن تنحرف بنسبة تصل إلى خمسين بالمائة. يحدث هذا لأن جسيمات المادة المظلمة يمكن أن تتوقف عن تبادل الحرارة مع بقية الكون في وقت أبكر مما هو متوقع، وهي عملية تسمى "فك الارتباط الحركي". وبينما يعد هذا التأثير الحراري مهماً لفهم تاريخ الكون، إلا أنه لا ينقذ فكرة قوة النيوترينو. فحتى عند أخذ سلوك التبريد المعقد هذا في الاعتبار، تظل قوة النيوترينو أضعف من أن تكون المحرك الرئيسي لاصطدامات المادة المظلمة في النماذج القابلة للتطبيق.

في الختام، خلصت الورقة البحثية إلى أنه بينما تكون فكرة القوة التي يتوسطها النيوترينو ممكنة نظرياً، إلا أنها لا يمكن أن تكون الحل لمشكلة المادة المظلمة ذات التفاعل الذاتي في ظل الظروف التي نرصدها. إن القيود المستمدة من فيزياء الجسيمات والمتطلبات الخاصة بتاريخ الكون تعمل كمنخل، حيث تصفّي المساحة البارامترية التي قد تكون فيها قوة النيوترينو قوية بما يكفي لتحدث فرقاً. وفي النماذج التي تنجو من هذه الفلاتر، تكون الاصطدامات بين جسيمات المادة المظلمة إما ناتجة عن تفاعل آخر أكثر مباشرة أو تكون ببساطة أضعف من أن يكون لها أي تأثير ملحوظ على المجرات. لقد استبعد الباحثون فعلياً قوة النيوترينو كالتفسير الأساسي لسلوك التفاعل الذاتي المشاهد في الكون، مما يضيق المسار أمام النظريات المستقبلية لتتبعها.