HYPER (آثار الجسيمات التفاعلية المميزة) – نموذج جديد للمادة المظلمة

اقترح فريق من الباحثين الآن مرشحًا جديدًا للمادة المظلمة: HYPER أو “HighlY Interactive ParticlE Relics”.

يغير انتقال الطور في بداية الكون قوة التفاعل بين المادة المظلمة والطبيعية.

تظل المادة المظلمة واحدة من أعظم ألغاز الفيزياء الحديثة. من الواضح أنه لا بد من وجودها ، لأنه بدون المادة المظلمة ، على سبيل المثال ، لا يمكن تفسير حركة المجرات. لكن لم يكن من الممكن أبدًا اكتشاف المادة المظلمة في تجربة ما.

يوجد حاليًا العديد من المقترحات لإجراء تجارب جديدة: فهي تهدف إلى اكتشاف المادة المظلمة مباشرةً من خلال تشتتها من مكونات النوى الذرية لوسط الكشف ، أي البروتونات والنيوترونات.

اقترح فريق من الباحثين – روبرت ماكجي وآرون بيرس من جامعة ميشيغان وجيلي إلور من جامعة جوهانس جوتنبرج في ماينز في ألمانيا – مرشحًا جديدًا للمادة المظلمة: HYPER أو “HighlY Interactive ParticlE Relics”.

في نموذج HYPER ، في وقت ما بعد تشكل المادة المظلمة في الكون المبكر ، تزداد قوة تفاعلها مع المادة العادية بشكل مفاجئ – مما يجعلها من ناحية قابلة للاكتشاف اليوم وفي نفس الوقت يمكن أن تفسر وفرة من الظلام. شيء.

خريطة المادة المظلمة هابل أبيل 1689

تُظهر صورة تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا توزيع المادة المظلمة في مركز مجموعة المجرات العملاقة أبيل 1689 ، التي تحتوي على حوالي 1000 مجرة ​​وتريليونات من النجوم.
المادة المظلمة هي شكل غير مرئي من المادة التي تمثل معظم كتلة الكون. لا يستطيع هابل رؤية المادة المظلمة مباشرة. استنتج علماء الفلك موقعه من خلال تحليل تأثير عدسة الجاذبية ، حيث يتم تشويه الضوء القادم من المجرات خلف أبيل 1689 عن طريق تدخل المادة داخل العنقود.
استخدم الباحثون المواضع المرصودة لـ 135 صورة بعدسة لـ 42 مجرة ​​في الخلفية لحساب موقع وكمية المادة المظلمة في العنقود. لقد وضعوا خريطة لتركيزات المادة المظلمة المستنتجة ، باللون الأزرق ، على صورة الكتلة التي التقطتها كاميرا هابل المتقدمة للاستطلاعات. إذا جاءت جاذبية العنقود من المجرات المرئية فقط ، فإن تشوهات العدسة ستكون أضعف بكثير. تكشف الخريطة أن التركيز الأكثر كثافة للمادة المظلمة يقع في قلب العنقود.
تقع أبيل 1689 على بعد 2.2 مليار سنة ضوئية من الأرض. التقطت الصورة في يونيو 2002.
حقوق الصورة: NASA، ESA، D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory / California Institute of Technology، Space Telescope Science Institute) ، N. Benitez (معهد الفيزياء الفلكية في الأندلس ، إسبانيا) ، T. Broadhurst (جامعة إقليم الباسك ، إسبانيا) ، و إتش فورد (جامعة جونز هوبكنز)

التنوع الجديد في قطاع المادة المظلمة

نظرًا لأن البحث عن جسيمات المادة المظلمة الثقيلة ، أو ما يسمى WIMPS ، لم يؤد إلى النجاح بعد ، يبحث مجتمع البحث عن جسيمات المادة المظلمة البديلة ، وخاصة الجسيمات الأخف وزناً. في الوقت نفسه ، يتوقع المرء بشكل عام انتقالات طورية في القطاع المظلم – بعد كل شيء ، هناك العديد من التحولات في القطاع المرئي ، كما يقول الباحثون. لكن الدراسات السابقة تميل إلى إهمالها.

“لم يكن هناك نموذج ثابت للمادة المظلمة لمدى الكتلة الذي تأمل بعض التجارب المخططة الوصول إليه. قال Elor ، باحث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء النظرية في JGU: “ومع ذلك ، يوضح نموذج HYPER لدينا أن انتقال الطور يمكن أن يساعد في الواقع في جعل المادة المظلمة أكثر سهولة في الكشف”.

التحدي الذي يواجه نموذجًا مناسبًا: إذا كانت المادة المظلمة تتفاعل بشدة مع المادة العادية ، فإن مقدارها (المعروف بدقة) المتكونة في الكون المبكر سيكون صغيرًا جدًا ، مما يتعارض مع الملاحظات الفيزيائية الفلكية. ومع ذلك ، إذا تم إنتاجه بالكمية المناسبة ، فسيكون التفاعل أضعف من أن يكتشف المادة المظلمة في التجارب الحالية.

قال ماكغي: “فكرتنا المركزية ، التي يقوم عليها نموذج HYPER ، هي أن التفاعل يتغير فجأة مرة واحدة – حتى نتمكن من الحصول على أفضل ما في العالمين: الكمية المناسبة من المادة المظلمة والتفاعل الكبير حتى نتمكن من اكتشافها”.

وهذه هي الطريقة التي تصورها الباحثون: في فيزياء الجسيمات ، عادة ما يتم التوسط في التفاعل بواسطة جسيم معين ، ما يسمى بالوسيط – وكذلك تفاعل المادة المظلمة مع المادة العادية. كل من تكوين المادة المظلمة ووظيفة الكشف عن طريق هذا الوسيط ، مع قوة التفاعل اعتمادًا على كتلته: كلما كانت الكتلة أكبر ، كان التفاعل أضعف.

يجب أن يكون الوسيط أولاً ثقيلًا بدرجة كافية بحيث يتم تكوين الكمية الصحيحة من المادة المظلمة والضوء اللاحق بما يكفي بحيث يمكن اكتشاف المادة المظلمة على الإطلاق. الحل: كان هناك انتقال طوري بعد تكوين المادة المظلمة ، حيث انخفضت كتلة الوسيط فجأة.

قال بيرس: “وهكذا ، من ناحية ، تبقى كمية المادة المظلمة ثابتة ، ومن ناحية أخرى ، يتم تعزيز التفاعل أو تقويته بطريقة تجعل المادة المظلمة قابلة للكشف بشكل مباشر”.

يغطي النموذج الجديد تقريبًا نطاق المعلمات الكامل للتجارب المخطط لها

قال إيلور: “إن نموذج HYPER للمادة المظلمة قادر على تغطية النطاق الكامل تقريبًا الذي تتيحه التجارب الجديدة الوصول إليه”.

على وجه التحديد ، اعتبر فريق البحث أولاً الحد الأقصى للمقطع العرضي للتفاعل الوسيط مع البروتونات والنيوترونات لنواة الذرة ليكون متسقًا مع الملاحظات الفلكية وبعض تحلل فيزياء الجسيمات. كانت الخطوة التالية هي النظر فيما إذا كان هناك نموذج للمادة المظلمة يُظهر هذا التفاعل.

قال ماكغي: “وهنا توصلنا إلى فكرة المرحلة الانتقالية”. “قمنا بعد ذلك بحساب كمية المادة المظلمة الموجودة في الكون ثم قمنا بمحاكاة انتقال الطور باستخدام حساباتنا.”

هناك عدد كبير من القيود التي يجب وضعها في الاعتبار ، مثل كمية ثابتة من المادة المظلمة.

قال إيلور: “هنا ، علينا التفكير بشكل منهجي في العديد من السيناريوهات وتضمينها ، على سبيل المثال ، طرح سؤال عما إذا كان من المؤكد حقًا أن وسيطنا لا يؤدي فجأة إلى تكوين مادة مظلمة جديدة ، وهو ما لا يجب أن يحدث بالطبع”. . “ولكن في النهاية ، كنا مقتنعين بأن نموذج HYPER الخاص بنا يعمل.”

نشر البحث في المجلة رسائل المراجعة البدنية.

المرجع: “تعظيم الاكتشاف المباشر باستخدام مادة مظلمة عالية التفاعل للجسيمات” بقلم جيلي إلور وروبرت ماكغي وآرون بيرس ، 20 يناير 2023 ، رسائل المراجعة البدنية.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.031803

READ  نحن نعرف الآن لماذا تنتج نفاثات الثقب الأسود إشعاعات عالية الطاقة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.