Displaced tracks as a signal of dark matter co-annihilation: a case study using inert doublet model at $e^+e^-$ collider

يمتلئ الكون بمادة غامضة تُسمى المادة المظلمة. لا يمكننا رؤيتها، أو لمسها، أو شمها، ومع ذلك نعلم بوجودها لأن جاذبيتها هي التي تمسك المجرات معاً وتثني مسار الضوء. وهي تشكل حوالي ربع كل شيء في الوجود، ولكن رغم عقود من البحث، لم تنجح أي تجربة في الإمساك بجسيم واحد منها. لقد حاول العلماء العثور عليها من خلال الاستماع إليها وهي تصطدم بالذرات في أعماق الأرض، أو من خلال البحث عن ومضة الضوء التي قد تصدرها عندما تصطدم بجسيمات مادة مظلمة أخرى في الفضاء. وحتى الآن، جاءت هذه الجهود خالية من النتائج. وقد دفع هذا الصمت الباحثين إلى التفكير في احتمال مختلف: ربما لا تكون المادة المظلمة جسيماً واحداً وحيداً، بل جزءاً من عائلة خفية. وفي هذا السيناريو، قد يكون للمادة المظلمة أقارب أثقل وزناً ومشحونة، تكون قريبة جداً من وزنها ولكنها مختلفة قليلاً. وإذا وُجد هؤلاء الأقارب، فقد يساعدون في تفسير كمية المادة المظلمة التي نراها اليوم، لكنهم سيتركون أيضاً بصمة محددة وغريبة جداً إذا تمكنا من رصدهم في آلة.

استكشف فريق من علماء الفيزياء مؤخراً كيفية العثور على هؤلاء الأقارب الخفيين باستخدام نوع مستقبلي من مصادمات الجسيمات. لقد ركزوا على نظرية محددة تُسمى "نموذج الثنائي الخامل" (Inert Doublet Model)، والتي تقترح أن المادة المظلمة هي جسيم متعادل متطابق تقريباً في الوزن مع شريك مشحون. ولأن أوزانهما متقاربة جداً، لا يستطيع الشريك المشحون أن يتحلل إلى جسيم المادة المظلمة بسهولة؛ بدلاً من ذلك، يعيش لفترة طويلة بشكل مفاجئ قبل أن يتفكك أخيراً. وعندما يتحلل، فإنه يطلق جسيم المادة المظلمة وقطعة حطام صغيرة وبطيئة الحركة. وفي كاشف الجسيمات العادي، سيبدو هذا كجسيم مشحون يسافر مسافة قصيرة، ثم يتوقف فجأة، ويختفي، تاركاً وراءه مساراً باهتاً وناعماً ينتهي بشكل مفاجئ. ويُعرف هذا باسم "المسار المختفي" (disappearing track). وقد قام الباحثون بمحاكاة كيف سيبدو هذا في مصادم إلكترون-بوزيترون مستقبلي، وهو آلة تصدم الإلكترونات ونظيراتها من المادة المضادة معاً بطاقات عالية جداً. ووجدوا أنه إذا كانت هذه الجسيمات الخفية موجودة، فإن هذا النوع المحدد من الآلات سيكون المكان المثالي لرصدها، مما يوفر رؤية أوضح بكما تقدمه التجارب الحالية.

بدأ الفريق برسم خريطة لقواعد نموذجهم لضمان توافقه مع ما نعرفه بالفعل عن الكون. فقد تحققوا من أن الجسيمات التي اقترحوها ستنتج الكمية الصحيحة من المادة المظلمة المرصودة في الكون، وأنها لم يتم اكتشافها بواسطة التجارب السابقة. وحددوا أربعة سيناريوهات محددة، أو "نقاط مرجعية"، حيث تتراوح كتل الجسيمات فيها بين حوالي 560 إلى 1,200 ضعف كتلة البروتون. في هذه السيناريوهات، يكون الفرق في الوزن بين المادة المظلمة وشريكها المشحون صغيراً جداً، وغالباً ما يكون أقل من وزن نواة ذرية واحدة. وهذا الفرق الضئيل أمر بالغ الأهمية لأن الجسيم المشحون يُجبر على العيش لفترة أطول من المعتاد. وقد حسب الباحثون أنه بالنسبة لهذه الكتل المحددة، سيسافر الجسيم المشحون في أي مكان يتراوح من بضعة سنتيمترات إلى ما يقرب من متر داخل الكاشف قبل أن يتحلل. وهذه المسافة طويلة بما يكفي ليتم قياسها، ولكنها قصيرة بما يكفي لتحدث داخل معدات التتبع.

ولرؤية ما إذا كان من الممكن العثند على هذه الجسيمات، قام الباحثون بمحاكاة ملايين الاصطدامات في مصادم مستقبلي بطاقة قدرها 3 تيرا إلكترون فولت. وراقبوا الحدث المحدد الذي يتم فيه إنشاء زوج من هذه الجسيمات المشحونة ثم سفرها عبر الكاشف. وبينما يتحرك الجسيم المشحون، فإنه يترك خلفه سلسلة من الإشارات، تماماً مثل الطائرة التي تترك أثراً خلفها. ومع ذلك، ولأن الجسيم يتحلل في النهاية إلى مادة مظلمة غير مرئية وقطعة حطام صغيرة وبطيئة الحركة، فإن المسار يتوقف فجأة. وقد وضع الباحثون مرشحاً رقمياً للبحث عن هذه المسارات "الملتوية" أو "المختفية" المحددة. واشترطوا أن يبدأ المسار مسافة معينة من مركز الاصطدام وأن ينتهي داخل الطبقات الداخلية للكاشف. كما تحققوا من أن الزاوية التي انحنى عندها المسار أو توقف كانت حادة بما يكفي لتكون حقيقية وليست مجرد خلل عشوائي في الآلة.

كانت نتائج محاكاتهم واعدة. فبالنسبة لأخف سيناريوهاتهم الأربعة، توقعوا أنه مع جمع البيانات لمدة عام واحد، ستشهد الآلة ما يقرب من 1,000 حدث من هذه الأحداث المختفية. وحتى بالنسبة للسيناريو الأثقل، حيث يصعب إنتاج الجسيمات، لا يزالون يتوقعون رؤية عشرات الإشارات الواضحة. وأظهرت الدراسة أن القدرة على العثور على هذه الجسيمات تعتمد بشكل كبير على الفرق الدقيق في أوزانها. فإذا كان الفرق صغيراً جداً، ستعيش الجسيمات لفترة طويلة جداً وتخرج من الكاشف قبل أن تتحلل. وإذا كان الفرق كبيراً جداً، فستتحلل بسرعة كبيرة، وتختفي قبل أن تتمكن من السفر لمسافة كافية ليتم ملاحظتها. وتكمن "نقطة التوازن" في نطاق ضيق حيث تسافر الجسيمات لمسافة كافية فقط ليتم رصدها. كما أشار الباحثون إلى أن ضوضاء الخلفية الناتجة عن الآلة نفسها ستكون منخفضة جداً في هذا النوع من المصادمات، مما يجعل من السهل كثيراً رصد هذه الأحداث النادرة مقارنة بالبيئة الصاخبة للمصادمات الكبيرة الحالية.

تخلص الدراسة إلى أن البحث عن هذه المسارات المختفية هو وسيلة قوية لاختبار فكرة القطاع المظلم الخفي. وبينما لم يقم الباحثون ببناء كاشف مادي أو إجراء تجربة حقيقية، فإن محاكاتهم التفصيلية تظهر أنه إذا وجدت هذه الجسيمات، فإن مصادم إلكترون-بوزيترون مستقبلي يمكنه العثور عليها. وتعتمد الطريقة على السلوك الفريد للجسيمات التي تكون متشابهة في الوزن، ولكن ليست متطابقة تماماً. ومن خلال البحث عن جسيم مشحون يخطو بضع خطوات ثم يختفي، قد يتمكن العلماء أخيراً من لمح عائلة المادة المظلمة. ويسلط هذا العمل الضوء على ضرورة تصميم الجيل القادم من تجارب فيزياء الجسيمات للبحث عن هذه الإشارات الخفية وطويلة الأمد، حيث قد تحمل هي المفتاح لحل واحد من أكبر الألغاز في العلم.