Axion Electrodynamics in Presence of a Stellar Non-homogeneous Background Magnetic Field

في أعماق نسيج كوننا، لطالما اشتبه الفيزيائيون في أن قوانين الطبيعة قد تخفي خللاً دقيقاً. فالنموذج القياسي، وهو النظرية العظيمة التي تشرح كيفية تفاعل الجسيمات، يعمل بشكل رائع في كل ما نراه تقريباً. ومع ذلك، فإنه يتعثر عندما يحاول تفسير سبب سلوك القوة النووية القوية، التي تربط النوى الذرية ببعضها البعض، بهذا التماثل المثالي. لو كانت النظرية مختلفة قليلاً، لكان شكل الكون غريباً جداً، ومع ذلك تُظهر التجارب أن الطبيعة ترفض كسر هذا التماثل بالطريقة التي يتوقعها الحساب الرياضي. ولإصلاح ذلك، اقترح العلماء وجود جسيم شبحي غير مرئي يسمى "الأكسيون" (axion). سيعمل هذا الجسيم كمعدّل كوني، يقوم بتنعيم التجاعيد النظرية واستعادة التوازن. وإذا وجدت هذه الجسيمات، فقد تكون أيضاً المادة الغامضة المعروفة بالمادة المظلمة، وهي السقالات غير المرئية التي تمسك المجرات ببعضها. ولأن الأكسيونات مراوغة للغاية، فهي نادراً ما تتفاعل مع المادة العادية، مما يجعل العثور عليها صعباً للغاية.

أحد السبل القليلة التي يأمل العلماء من خلالها لمح لمح البصر للأكسيون هو عبر تفاعله مع الضوء في وجود مجال مغناطيسي. تخيل شعاعاً من الضوء يسافر عبر منطقة مليئة بمجال مغناطيسي قوي؛ في ظل الظروف المناسبة، يمكن لبعض هذا الضوء أن يتحول لفترة وجيزة إلى أكسيون، ولاحقاً، يمكن للأكسيون أن يعود ويتحول إلى ضوء. هذه العملية، المعروفة باسم "تأثير بريماكوف" (Primakoff effect)، هي الطريقة الأساسية التي يستخدمها الباحثون للبحث عن هذه الجسيمات. وتعمل الشمس، بحرارتها الشديدة ومجالاتها المغناطيسية القوية، كمختبر طبيعي لهذه الظاهرة. فإذا كانت الأكسيونات موجودة، يجب أن تنتجها الشمس باستمرار في قلبها، حيث الحرارة والضغط في مستويات قصوى. وستندفع هذه الجسيمات نحو الفضاء، حاملة معها طاقة لا يمكننا رؤيتها، مما قد يؤدي لتبريد الشمس بطريقة يمكننا قياسها.

تقدم دراسة حديثة أجراها برنارد تيلز دي مينيزيز في المركز البرازيلي للبحوث الفيزيائية نظرة جديدة على كيفية إنتاج هذه الأكسيونات داخل الشمس. فالحسابات السابقة غالباً ما كانت تفترض أن المجال المغناطيسي للشمس منتظم، مثل رياح ثابتة لا تتغير تهب في اتجاه واحد. ومع ذلك، فإن الواقع داخل نجمنا أكثر تعقيداً بكثير. فالمجال المغناطيسي للشمس ليس مجرد ورقة مسطحة بسيطة؛ بل هو مشهد مضطرب ومتغير يتغير في قوته واتجاهه كلما تحركت من الداخل العميق نحو السطح. وفي هذا العمل الجديد، طور الباحث إطاراً رياضياً أكثر تطوراً لمراعاة هذه الاختلافات. فبدلاً من معاملة المجال المغماطيسي كخلفية ثابتة، تعمل الدراسة على نمذجة المجال كما هو موجود حقاً: بيئة غير منتظمة ومتغيرة تتغير أثناء انتقالك عبر الطبقات المختلفة للنجم.

من خلال تطبيق هذا النهج الجديد، أعاد المؤلف حساب معدل إنتاج الشمس للأكسيونات. وتُظهر النتتائج أنه عندما تأخذ في الاعتبار الطبيعة الفوضوية والمتغيرة للمجال المغناطيسي الشمسي، يتم حساب إنتاج هذه الجسيمات بدقة أكبر. استخدمت الدراسة نموذجاً مفصلاً لداخل الشمس، بما في ذلك كثافتها، ودرجة حرارتها، والشكل المحدد لمجالها المغناطيسي في المنطقة الإشعاعية، والتاكوكلاين (tachocline)، والمنطقة الحملية. وتشير النتائج إلى أن الشمس تنبعث منها تدفقات محددة من الأكسيونات تعتمد بشدة على قوة المجال المغناطيسي وكثافة البلازما. وباستخدام معدل الإنتاج المحدث هذا، قام الباحث بعد ذلك بمقارنة فقدان الطاقة النظري من الشمس مقابل الملاحظات الواقعية. فالعلماء يعرفون سطوع الشمس وكيف تهتز من الداخل إلى الخارج، وهو ما يُعرف بعلم الهيليوسيزمولوجيا (علم تذبذب الشمس). فلو كانت الشمس تفقد الكثير من الطاقة لصالح الأكسيونات غير المرئية، لما تطابق ذلك مع هذه القياسات الدقيقة.

تخلص الدراسة إلى أن سلوك الشمس الملحوظ يضع حدوداً صارمة على مدى قوة تفاعل الأكسيونات مع الضوء. توفر الحسابات الجديدة، التي تتضمن المجال المغناطيسي غير المنتظم والواقعي، حداً نظرياً لقوة التفاعل. وبينما يقع هذا الحد ضمن نطاق المعلمات الذي استكشفه تجربة "كاست" (CAST)، يُلاحظ أنه بعيد عن الحد الأكثر تقييداً المتاح حالياً، والذي يأتي من قيود تجريبية أخرى. وهذا أمر متوقع، حيث أن معظم الحدود الموجودة تأخذ في الاعتبار حالة المجالات المغناطيسية المتجانسة والثابتة. ومع ذلك، فإن قدرة النموذج على التعامل مع الخلفية المغناطيسية غير المتجانسة تجعل الإطار النظري أكثر قوة وواقعية من الناحية الفيزيائية. ومن خلال تحسين النموذج ليشمل الطبيعة الحقيقية وغير المنتظمة للبيئة الشمسية، توفر الدراسة أساساً أكثر موثوقية للبحوث المستقبلية. لا تدعي هذه الدراسة أنها وجدت الأكسيون، لكنها تشحذ الأدوات التي يستخدمها العلماء للبحث عنه، مما يضمن أنه عندما يلتقطون إشارة أخيراً، فسيعرفون بالضبط ما تعنيه.