Search for dark photon dark matter near using a superconducting mixer
توضح هذه الورقة استخدام خلاط فائق التوصيل لإجراء بحث مباشر عن المادة المظلمة للفوتون المظلم بالقرب من 1 ميلي إلكترون فولت، مما يضع حدوداً عليا تنافسية لمعامل الخلط الحركي دون اكتشاف إشارة كبيرة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلف ولم يصادق عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
على مدى عقود، احتفظ الكون بسر صامت. فبينما يمكننا رؤية النجوم والمجرات وسحب الغاز، فإن الجزء الأكبر من الكون يتكون من شيء غير مرئي. نحن نسمي هذه الكتلة المفقودة "المادة المظلمة"، لكننا لم نكتشف قط جسيماً واحداً منها بشكل مباشر. تشير إحدى النظريات الرائدة إلى أن المادة المظلمة قد تتكون من جسيم يسمى "الفوتون المظلم". وخلافاً لفوتونات الضوء التي تسمح لنا بالرؤية، ستكون هذه الفوتونات المظلمة عديمة الكتلة تقريباً، ونادراً ما تتفاعل مع المادة العادية. ومع ذلك، تسمح هذه النظرية بوجود صلة ضئيلة، غير مرئية تقريباً، بين العالم المظلم وعالمنا. وإذا كانت هذه الصلة موجودة، فقد تتحول الفوتونات المظلمة أحياناً إلى جسيمات ضوئية عادية عندما تصطدم بسطح معدني. إن العثور على هذا الضوء المتحول الخافت سيكون اكتشافاً هائلاً، يثبت وجود المادة المظلمة ويكشف عن قوة جديدة من قوى الطبيعة.
لقد اتخذ فريق من الباحثين في اليابان الآن خطوة مهمة نحو رصد هذه الإشارة المراوغة. فقد بنوا مستقبلاً متخصصاً فائق الحساسية مصمماً للاستماع إلى نوع محدد جداً من الضوء الذي قد يظهر إذا كانت الفوتونات المظلمة موجودة بالفعل في جوارنا. ركز الفريق بحثهم على نطاق كتلة قريب من جزء من ألف من الإلكترون فولت، وهو مقياس يتوافق مع موجات ضوئية ذات تردد يبلغ حوالي 243 جيجاهرتز. هذا التردد أعلى بكثير مما يمكن لأجهزة استقبال الراديو القياسية التعامل معه، حيث يقع في عمق جزء الموجات المليمترية من الطيف حيث تعاني الإلكترونيات التقليدية للعمل دون إضافة الكثير من الضجيج الذي قد يغرق الإشارة. ولحل هذه المشكلة، لجأ العلماء إلى جهاز يسمى "الخلاط فائق التوصيل" (superconducting mixer). هذا المكون، الذي يتم تبريده إلى درجات حرارة تزيد ببضع درجات فقط فوق الصفر المطلق، يمكنه تحويل هذه الموجات عالية التردد إلى ترددات أقل يمكن لأجهزة التضخيم القياسية قياسها بدقة متناهية، كل ذلك مع إبقاء ضجيج الخلفية عند أدنى حد ممكن.
أُجريت التجربة في مختبر بجامعة كيوتو، حيث أعد الباحثون لوحاً كبيراً من الألمنيوم ليعمل كسطح للتحويل. كانت الفكرة هي أنه إذا كانت الفوتونات المظلمة تمر عبر الغرفة، فإنها ستصطدم بهذا اللوح المعدني وتتحول إلى فوتونات عادية، والتي ستنعكس بعد ذلك عن السطح وتنتقل نحو هوائي بوقي (horn antenna). وقد التقط الهوائي، المثبت على مستقبل مبرد، هذه الإشارات الخافتة. تم تجهيز النظام بأكمله بدرع وتبريد لضمان عدم قدرة أي حرارة شاردة أو تداخل على محاكاة الإشارة الصغيرة التي كانوا يطاردونها. جمع الفريق البيانات لمدة ساعة واحدة تقريباً، حيث قاموا بمسح شريحة ضيقة جداً من طيف التردد. وقاموا بتحليل قوة الإشارات المستلمة، بحثاً عن نبضة حادة وضيقة تبرز وسط الخلفية الناعمة للضوضاء الكونية الطبيعية. مثل هذه النبضة ستكون بمثابة بصمة لتحول المادة المظلمة إلى ضوء.
بعد فحص البيانات بعناية، لم يجد الباحثون مثل هذه النبضة. ظلت مستويات الطاقة ثابتة ومتسقة مع ما هو متوقع في حال عدم وجود فوتونات مظلمة. ورغم أن هذه النتيجة قد تبدو سلبية، إلا أنها معلومة حاسمة للمجال؛ فمن خلال عدم العثور على إشارة، تمكن الفريق من وضع حدود عليا صارمة لمدى قوة تفاعل الفوتونات المظلمة مع المادة العادية. لقد حددوا أنه إذا كانت هذه الجسيمات موجودة، فإن قوة اتصالها بعالمنا يجب أن تكون أضعف من عتبة معينة، وهي تقريباً جزء واحد من المليار. هذا الحد يضاهف أفضل القيود التي استخلصها العلماء من مراقبة الشمس، ولكن تم تحقيق ذلك هنا من خلال بحث مباشر في بيئة مختبرية. يثبت هذا العمل أن التكنولوجيا المستخدمة - وتحديداً الخلاط فائق التوصيل - هي أداة قابلة للتطبيق وقوية لصيد المادة المظلمة في هذا النطاق من الكتلة.
وبالنظر إلى المستقبل، لا يتوقف الباحثون عند هذا التردد الواحد. فهم يخططون لتطوير معداتهم لجعل البحث أكثر حساسية ولتغطية نطاق أوسع بكثير من الكتل. يعتزمون إضافة مرآة تركيز كبيرة إلى إعداداتهم، مما سيسمح لهم بجمع قدر أكبر بكثير من الضوء المتحول مقارنة بالهوائي الصغير المستخدم في هذا الاختبار الأولي. كما يعملون على تطوير أجهزة مطياف جديدة يمكنها مسح مساحة واسعة من التردات دفعة واحدة، بدلاً من مجرد شريحة صغيرة. ومع هذه التحسينات، يهدفون إلى استكشاف نطاق كتلة يتراوح من 0.7 إلى 1.1 مللي إلكترون فولت، وهي منطقة تفتقر المعرفة الحالية فيها إلى التفاصيل. ورغم أنهم لم يجدوا المادة المظلمة هذه المرة، فقد نجحوا في إثبات طريقة جديدة للنظر إليها، محولين إمكانية نظرية إلى بحث ملموس وقابل للقياس يقربنا أكثر من فهم الكون غير المرئي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.