Achieving a 0.49 keV threshold in the COSINE-100 dark matter experiment

في أعماق الكون، يُعتقد أن مادة مظلمة شاسعة وغير مرئية هي التي تمسك بالمجرات وتمنع تشتتها. وهي تشكل حوالي ربع كل ما هو موجود، ومع ذلك فهي لا تبعث ضوءاً أو حرارة أو أي إشارة يمكننا التقاطها بسهولة. لقد أمضى العلماء عقوداً في محاولة العثور عليها، مقترحين أنها قد تتكون من جسيمات ثقيلة وبطيئة الحركة تصطدم أحياناً بالذرات العادية. وعندما يحدث مثل هذا الاصطدام، ينبغي أن يترك ومضة ضوئية ضئيلة، همسة طاقة يمكن للمكتشفات الحساسة سماعها. ويكمن التحدي في أن هذه الهمسات خافتة للغاية ومن السهل أن يطغى عليها الضجيج المستمر للعالم الطبيعي، من الصخور المشعة إلى الأشعة الكونية. وللسماع إليها، يجب على الباحثين بناء كواشف في أعماق الأرض، محمية بأميال من الصخور، والاستماع بأجهزة دقيقة للغاية بحيث يمكنها تمييز شرارة ضوء واحدة عن الضوضاء.

في وادٍ هادئ في كوريا الجنوبية، يقوم فريق من العلماء بالاستماع إلى هذه الهمسات باستخدام مصفوفة كبيرة من البلورات المصنوعة من يوديد الصوديوم، وهي مادة تتوهج عندما تصطدم بها جسيمة. هذه التجربة، المعروفة باسم COSINE-100، مستمرة منذ ست سنوات، حيث جمعت كمية هائلة من البيانات. لفترة طويلة، لم يكن بإمكان الفريق الوثوق إلا بالإشارات القوية بما يكفي للبروز بوضوح فوق ضوضاء الخلفية، مما يعني أنهم فاتهم الهمسات الأكثر خفوتاً وتملصاً. ومع ذلك، فإن تحليلاً جديداً لمجموعة بياناتهم الكاملة لست سنوات قد غير قواعد اللعبة. فمن خلال استخدام برنامج حاسوبي متطور لتعلم الفرق بين اصطدام جسيم حقيقي وبين خلل عشوائي، نجح الباحثون في خفض عتبة الاستماع لديهم إلى مستوى 0.49 كيلو إلكترون فولت (keV). وهي وحدة طاقة صغيرة جداً تمثل أضعف إشارة يمكن للمكتشف تحديدها بشكل موثوق، مما سمح للفريق بسماع التفاعلات الأكثر هدوءاً على الإطلاق.

كان المفتاح وراء هذا الإنجاز هو تعليم الحاسوب كيفية التعرف على الشكل الفريد لومضة الضوء الناتجة عن جسيم ما. في الماضي، اعتمد الفريق على طرق أبسط كانت تعاني عندما تكون الإشارات ضعيفة، وغالباً ما كانت تخطئ في اعتبارها ضوضاء إلكترونية أو تفقدها تماماً. وفي هذه الدراسة الجديدة، أنشأ الباحثون الملايين من عمليات المحاكاة الحاسوبية لما ينبغي أن يبدو عليه اصطدام جسيم حقيقي. ثم قاموا بتدريب شبكة عصبية، وهي نوع من الذكاء الاصطناعي، لمقارنة البيانات الفعلية من البلورات مقابل هذه المحاكاة. تعلم الحاسوب رصد الأنماط الدقيقة في الطريقة التي ترتفع بها نبضات الضوء وتنخفض، مُميزاً بين الاضمحلال البطيء والناعم لحدث حقيقي، وبين الارتفاعات الحادة والمضطربة للضوضاء. وقد تم هذا التدريب بشكل منفصل لمجموعات مختلفة من الأحداث، اعتماداً على عدد قمم الضوء المتميزة التي تظهر في الإشارة، لضمان دقة الحاسوب قدر الإمكان عبر كامل نطاق الطاقات.

والنتيجة هي مرشح (فلتر) يتسم بالحدة والحساسية في آن واحد؛ فهو يحتفظ بأكثر من عشرة بالمائة من إشارات الجسيمات الحقيقية عند العتبة الجديدة فائقة الانخفاض، بينما يستبعد تسعة وتسعين بالمائة من الضوضاء. ولإثبات فعالية هذه الطريقة، تحقق الفريق من نتائجهم مقابل مصادر ضوء معروفة داخل الكاشف، مثل الذرات المشعة الموجودة طبيعياً في البلورات. وقد أكدوا أن الحاسوب كان يحدد الأحداث الحقيقية بشكل صحيح وأن أداءه ظل مستقراً طوال سنوات جمع البيانات الست. وتعد هذه الاستقرارية أمراً بالغ الأهمية، لأنها تعني أن الفريق يمكنه الوثوق بالبيانات التي يراها، مع علمه بأن الكاشف لم ينحرف أو يغير سلوكه بمرور الوقت.

بهذه القدرة الجديدة على سماع الإشارات الأخفت، حسن الباحثون بشكل كبير من فرصهم في العثور على المادة المظلمة، وخاصة النسخ الأخف وزناً من الجسيمات الافتراضية. فالجسيمات الأخف تتحرك ببطء وتنتج ومضات طاقة أصغر، لذا كانت مخفية سابقاً تحت حد الكشف. والآن، يمكن للفريق البحث عنها في نطاق كتلة يتراوح بين 2.0 و 2.8 جيجا إلكترون فولت/c²، وهي منطقة في الكون ظلت غير مستكشفة إلى حد كبير من قبل التجارب الأخرى. ويشير تحليلهم إلى أنه إذا وجدت هذه الجسيمات المظلمة الخفيفة وتفاعلت مع البروتونات بطريقة معينة، فإن كاشف COSINE-100 يجب أن يكون قادراً على رؤيتها. ورغم أن الفريق لم يجد بعد إشارة حاسمة، إلا أن حساسيتهم المحسنة تسمح لهم بوضع أشد القيود صرامة على أماكن اختباء هذه الجسيمات، مما يستبعد فعلياً مساحة واسعة من الاحتمالات التي لم تستطع التجارب الأخرى الوصول إليها.

يساعد هذا العمل أيضاً في حسم جدل طويل الأمد في هذا المجال. فقد أبلغت تجربة أخرى، وهي DAMA/LIBRA، عن رصد تذبذب سنوي في بياناتها تدعي أنه ناتج عن المادة المظلمة، لكن المكتشفات الأخرى لم تتمكن من تأكيد ذلك. ولأن التجربتين تستخدمان نفس نوع البلورات، فينبغي أن يتمكنا من مقارنة ملاحظاتهما مباشرة. ومع ذلك، فإن الاختلافات في كيفية قياسهما للطاقة جعلت المقارنة المباشرة صعبة. ومن خلال خفض عتبتهم إلى 0.49 كيلو إلكترون فولت والمحاسبة الدقيقة لكيفية استجابة بلوراتهم للطاقة، وصل فريق COSINE-100 الآن إلى نفس نقطة البداية منخفضة الطاقة التي وصلت إليها DAMA/LIBRA. وهذا يسمح لهم باختبار ادعاء التجربة الأخرى عبر كامل نطاق الطاقات حيث تم تسجيل الإشارة، دون الحاجة إلى وضع افتراضات حول كيفية سلوك الجسيمات.

تمثل هذه النتائج خطوة كبيرة للأمام في البحث عن الكون غير المرئي. فمن خلال دفع حدود ما يمكن لمكتشفاتهم سماعه، فتح العلماء نافذة جديدة على عالم المادة المظلمة منخفضة الكتلة. لقد أثبتوا أنه مع الأدوات الصحيحة والصبر الكافي، يمكن حتى تمييز أخفت همسات الكون عن الصمت. وبينما يظل لغز المادة المظلمة دون حل، فإن هذا العمل يثبت أن البحث لم ينتهِ بعد، وأن الاختراق القادم قد يأتي من مجرد الاستماع بتركيز أكبر قليلاً.