Search for Dark Photon Dark Matter at 74--159 eV/ Using Broadband Cryogenic Receivers
باستخدام مستقبلات نطاق عريض مبردة بالتبريد الشديد تعمل بنطاقي K وKa، بحثت هذه الدراسة عن المادة المظلمة للفوتون المظلم في نطاق كتلة يتراوح بين 74 و159 ميكرو إلكترون فولت/c²، حيث لم تجد أي إشارة ذات دلالة ووضعت حدوداً عليا جديدة لمعامل الخلط الحركي تحسن القيود السابقة بأكثر من رتبة مقدار في نطاق 74-110 ميكرو إلكترون فولت/c² مع توفير أول حدود مباشرة لنطاق 110-159 ميكرو إلكترون فولت/c².
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، عرف علماء الفلك أن الكون مليء بمادة أكثر بكثير مما يمكننا رؤيته. فالنجوم تدور بسرعة كبيرة، والمجرات تتماسك بقوة شديدة، لدرجة لا يمكن تفسيرها بالنجوم والغازات المرئية وحدها. هذه المادة غير المرئية، التي تُسمى المادة المظلمة، تشكل معظم الكتلة في الكون، ومع ذلك لم يتمكن أحد من رصد جسيم واحد منها بشكل مباشر. وبينما تكشف الجاذبية عن وجودها، تظل الطبيعة المجهرية للمادة المظلمة واحدة من أعظم أسرار الفيزياء. وتشير إحدى الأفكار الرائدة إلى أن المادة المظلمة قد تتكون من جسيم افتراضي يسمى "الفوتون المظلم". وبخلاف الفوتونات العادية التي يتكون منها الضوء، فإن هذه الفوتونات المظلمة ستكون ذات كتلة ضئيلة، ويمكنها أحيانًا أن تتحول إلى ضوء عادي عندما تصطدم بسطح معدني. وإذا حدث هذا التحول، فسيؤدي ذلك إلى خلق همهمة راديوية خافتة ومستمرة عند تردد محدد تحدده كتلة الجسيم. إن العثور على هذه الهمهمة لن يكشف فقط عن ماهية المادة المظلمة، بل سيفتح أيضًا نافذة جديدة على القوانين الأساسية للكون.
لقد شرع فريق من الباحثين في اليابان، يعملون تحت اسم "DOSUE-RR"، في الاستماع إلى هذه الإشارة الخافتة عبر نطاق واسع من الترددات. وقد ركزوا على نطاق كتلة محدد للفوتون المظلم، يتراوح بين 74 و159 ميكرو إلكترون فولت لكل سرعة الضوى مربعة، وهو ما يقابل موجات راديوية بين 18 و38.5 جيجاهرتز. وللالتقاط هذه الإشارة، قاموا ببناء محطة استماع حساسة للغاية باستخدام مستقبِلين متخصصين، أحدهما مضبوط على الجزء الأدنى من هذا النطاق والآخر على الجزء الأعلى. وقد تم تبريد هذه المستقبلات إلى درجات حرارة منخفضة للغاية لتقليل ضجيجها الداخلي، مما سمح لها بسماع أضعف الهمسات القادمة من الكون. تضمن الإعداد لوحة معدنية تواجه هوائي بوقي؛ فإذا كانت الفوتونات المظلمة تمر عبر الغرفة، فإن النظرية تتنبأ بأنها ستتحول إلى موجات راديو عادية عند اصطدامها باللوحة المعدنية ويتم جمعها بواسطة الهوائي. استخدم الفريق مقياس طيف عريض النطاق، وهو جهاز قادر على تحليل مساحة شاسعة من الطيف الراديوي دفعة واحدة، بدلاً من الضبط على تردد واحد ضيق في كل مرة. وقد سمح هذا النهج لهم بمسح منطقة أوسع بكثير من مساحة البحث مقارنة بالتجارب السابقة في عملية تشغيل واحدة.
استمرت التجربة لعدة أشهر، حيث تراكمت مئات الآلاف من ثواني المراقبة لكل نقطة تردد اختبروها. وراقب الباحثون معداتهم بعناية لضمان أن أي إشارة يجدونها هي حقًا من السماء وليست من تداخل محلي، مثل الساعات الراديوية أو الأعطال الإلكترونية. حتى أنهم اختبروا نظامهم باستبدال اللوحة المعدنية بامتصاص حراري في درجة حرارة الغرفة لمعرفة كيف يبدو ضجيج الخلفية بدون احتمال تحول الفوتون المظلم. وبعد غربلة البيانات وإزالة أي ترددات ملوثة بمصادر تداخل معروفة، قاموا بتحليل الإشارة المتبقية بحثًا عن أي علامة على همهمة الفوتون المظلم المتوقعة. وكانت النتيجة واضحة: لم يجدوا أي إشارة ذات دلالة إحصائية. أظهرت البيانات عدم وجود فائض في الموجات الراديوية يمكن عزوه إلى تحول الفوتونات المظلمة عند السطح المعدني.
وعلى الرغم من عدم حدوث اكتشاف، فقد قدمت التجربة تقدمًا حاسمًا في البحث عن المادة المظلمة. فمن خلال عدم العثور على شيء، تمكن الفريق من وضع حدود صارمة جديدة لمدى قوة تفاعل الفوتونات المظلمة مع الضوء العادي. وقد حددوا أنه إذا كانت الفوتونات المظلمة موجودة في هذا النطاق من الكتلة، فإن قدرتها على الاختلاط مع الفوتونات العادية يجب أن تكون ضعيفة للغاية، وأضعف بكثير مما سمحت به العديد من النظريات السابقة. لقد حسنت نتائجهم الحدود السابقة بأكثر من عشرة أضعاف للجزء الأدنى من نطاق بحثهم، ووفرت أول قيود مباشرة للجزء الأعلى من النطاق، مما دفع حدود ما هو معروف عن هذه الجسيمات. وتشير النتائج إلى أنه إذا كانت الفوتونات المظلمة تشكل كل المادة المظلمة في حيّنا المحلي، فإن تفاعلها مع العالم المرئي ضعيف للغاية لدرجة تظل خارج نطاق التكنولوجيا الحالية، أو أنها ببساطة لا توجد بالكميات أو الأشكال التي كان يبحث عنها الباحثون. إن هذا العمل يضيق مجال الاحتمالات، ويوجه التجارب المستقبلية نحو استراتيجيات جديدة أو نطاقات كتلة مختلفة في السعي المستمر لفهم الكون غير المرئي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.