Searching for axion-like particles with space-based optical lattice clock networks

منذ عقود، يعلم علماء الفلك أن النجوم والمجرات المرئية لا تشكل سوى جزء ضئيل من الكون. أما الباقي فهو مادة غير مرئية تسمى المادة المظلمة، والتي تمسك المجرات ببعضها البعض عبر الجاذبية ولكنها ترفض الكشف عن نفسها من خلال الضوء أو المادة العادية. وبينما نعلم أنها موجودة، إلا أننا لا نعرف مما تتكون. ويشير أحد الأفكار الرائدة إلى أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات خفيفة للغاية وشبحية تسمى الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات. هذه الجسيمات تتفاعل بضعف شديد لدرجة أنها تمر عبر كل شيء، بما في ذلك أجسادنا والأرض، دون ترك أي أثر. ولأن تفاعلها ضعيف للغاية، فإن العثور عليها يشبه محاولة سماع همسة في إعصار. ومع ذلك، إذا كانت هذه الجسيمات موجودة، فقد تتفاعل مع الضوء بطريقة محددة للغاية، وهي التواء اتجاه موجات الضوء أثناء انتقالها عبر الفضاء. هذا التأثير الطفيف يوفر مساراً محتملاً للكشف، بشرط امتلاكنا لأجهزة حساسة بما يكفي لالتقاط أدنى انزياح.

اقترح فريق من الباحثين طريقة جديدة للبحث عن هذه الجسيمات المراوغة باستخدام شبكة من الساعات فائقة الدقة العائمة في الفضاء. تعتمد فكرتهم على مفهوم صُمم في الأصل للاستماع إلى تموجات الزمكان المعروفة باسم الأمواج الثقالية. وتتضمن الخطة وضع أربعة أقمار اصطناعية في مدار حول الشمس، مرتبة في زوجين. يتشارك كل زوج من الأقمار الاصطناعية شعاع ليزر، مما يخلق رابطاً طويلاً ومستقراً بينهما. وفي داخل كل قمر اصطناعي توجد ساعة شبكية بصرية، وهي جهاز دقيق للغاية يمكنه قيال الزمن بخطأ يقل عن ثانية واحدة طوال عمر الكون بأكمله. ومن خلال مقارنة معدلات دقات هذه الساعات المتزامنة، يمكن للعلماء قياس تردد شعاع الليزر الذي يربط بينهما بدقة متناهية. ويشير الباحثون إلى أنه إذا كانت الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات موجودة، فإنها ستتسبب في إزاحة إيقاعية طفيفة في تردد شعاع الليزر هذا، وهي إشارة ستكون غير مرئية لزوج واحد من الساعات، ولكنها ستظهر بوضوح عند مقارنة البيانات من عدة أزواج.

يكمن المفتاح في هذه الطريقة في طبيعة حقل المادة المظلمة نفسه. فقد حسب الباحثون أنه بالنسبة لنطاق الكتلة المحدد الذي يهتمون به، ستتصرف الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات مثل موجة سلسة ومتماسكة تمتد عبر النظام الشمسي بأكمله. ولأن هذه الموجة كبيرة جداً، فإنها ستؤثر على كلا الزوجين من الأقمار الاصطناعية بنفس الطريقة وفي نفس الوقت، مما يخلق إشارة مترابطة. وفي المقابل، فإن الضوضاء العشوائية التي تعيق كل أداة حساسة ستكون مختلفة لكل زوج. ومن خلال البحث عن إشارة تظهر في كلا الزوجين في آن واحد، يمكن للفريق تصفية الضوضاء وعزل تأثير المادة المظلمة المحتمل. ولجعل شعاع الليزر حساساً لهذا النوع المحدد من التفاعل مع الجسيمات، يقترح الفريق إضافة مكون بصري بسيط لمسار الليزر يغير استقطاب الضوء، مما يحول شعاع الليزر أساساً إلى أداة يمكنها اكتشاف تأثير الالتواء لحقل الأكسيون.

عندما أجرى الباحثون حساباتهم للشبكة المقترحة، وجدوا أنها يمكنها سبر منطقة من خصائص المادة المظلمة كان من الصعب استكشافها بالأساليب الأخرى. بالنسبة لتردد الليزر القياسي المستخدم في مقترحات الساعات الفضائية الحالية، ستكون الشبكة حساسة بما يكفي لاكتشاف الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات ضمن نطاق كتلة محدد، مما يحسن الحدود السابقة بنحو عشرة أضعاف. ومع ذلك، كشفت الدراسة عن تفصيل حاسم: تعتمد حساسية الشبكة بشكل كبير على تردد رابط الليزر نفسه. فإذا استخدم الفريق ليزر بتردد أقل بكثير، على غرار تلك المستخدمة في اتصالات الفضاء العميق، فإن قدرة الشبكة على اكتشاف هذه الجسيمات ستتحسن بشكل هائل. ومع هذا التعديل، يمكن للنظام المقترح أن يصل إلى مستويات حساسية أفضل بألف مرة من القيود الحالية الأفضل، مما يفتح نافذة جديدة على طبيعة المادة المظلمة.

لا يزال هذا العمل مقترحاً نظرياً، وهو بمثابة مخطط لما يمكن تحقيقه إذا تم بناء التكنولوجيا ونشرها. لم يكتشف الباحثون هذه الجسيمات بعد، ولم يستبعدوا وجودها أيضاً. بدلاً من ذلك، رسموا مساراً للمضي قدماً، موضحين أن شبكة من الساعات القائمة في الفضاء، والتي صُممت في الأصل لغرض آخر، يمكن إعادة توظيفها للاستماع إلى التوقيع الخافت لأكثر المواد غموضاً في الكون. ومن خلال الاستفادة من تماسك حقل المادة المظلمة ودقة الساعات الذرية الحديثة، يقدم هذا النهج استراتيجية واعدة لحل واحدة من أكبر الألغاز في الفيزياء. وتشير النتائج إلى أنه مع التكوين الصحيح، قد نتمكن أخيراً من تحويل همس الأكسيون إلى إشارة واضحة.