دفعنا البحث عن المادة المظلمة للجسيمات إلى البحث عن WIMPs التي قد تتراجع مع نوى ذرية. ستوفر LZ Collaboration أفضل الحدود على المقاطع العرضية لـ WIMP-nucleon على الإطلاق ، لكن السيناريوهات الأكثر تحفيزًا لوجود جسيم ضعيف يحركها القوة عند أو بالقرب من مقياس الضعيف الكهربائي تشكل 100٪ من المادة المظلمة مستبعدة بالفعل . (LUX-ZEPLIN (LZ) التعاون / مختبر تسريع SLAC الوطني)

"WIMP Miracle" Hope for Dark Matter مات

لكن يجب ألا نستسلم للكشف المباشر. إليكم السبب.

المادة المظلمة ليست فقط أكثر أشكال المادة وفرة في الكون ، بل هي الأكثر غموضًا أيضًا. بينما تتفاعل جميع الجزيئات الأخرى التي نعرفها - الذرات والنيوتريونات والفوتونات والمواد المضادة وجميع الجزيئات الأخرى في النموذج القياسي - من خلال واحدة على الأقل من القوى الكمومية المعروفة ، يبدو أن المادة المظلمة تتفاعل من خلال الجاذبية وحدها.

وفقًا للكثيرين ، سيكون من الأفضل أن نسميها أمرًا غير مرئي ، وليس مادة مظلمة. إنه لا ينبعث أو يمتص الضوء فحسب ، ولكنه لا يتفاعل مع أي من الجسيمات المعروفة التي يمكن اكتشافها مباشرة من خلال القوى النووية الكهرومغناطيسية أو القوية أو الضعيفة. المرشح الأكثر طلبًا بعد المادة المظلمة هو WIMP: الجسيمات الضخمة المتفاعلة ضعيفة. كان الأمل الكبير في حدوث معجزة WIMP ، وهي تنبؤ رائع للتناظر الفائق.

إنه عام 2019 ، وقد تبدد هذا الأمل الآن. استبعدت تجارب الاكتشاف المباشر بدقة WIMPs التي كنا نأملها.

عندما تصطدم أي جسيمين معًا ، فإنك تبحث في الهيكل الداخلي للجسيمات المتصادمة. إذا لم يكن أحدها أساسيًا ، بل هو جسيم مركب ، يمكن أن تكشف هذه التجارب عن بنيتها الداخلية. هنا ، تم تصميم تجربة لقياس إشارة نثر المادة المظلمة / النوكليون. ومع ذلك ، هناك العديد من المساهمات الدنيوية والخلفية التي يمكن أن تعطي نتيجة مماثلة. سوف تظهر هذه الإشارة المعينة في الجرمانيوم ، وكاشفات XENON السائلة ، وأجهزة الكشف ARGON السائلة. (نظرة عامة على DARK MATTER: أبحاث التجميع المباشر والاكتشاف غير المباشر - QUEIROZ ، FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

يجب أن يكون الكون ، من منظور الفيزياء الفلكية ، أكثر من مجرد مادة عادية نعرفها. المسألة الطبيعية ، في هذه الحالة ، تؤهل كأي من الجزيئات المعروفة في النموذج القياسي. ويشمل أي شيء مصنوع من الكواركات أو اللبتونات أو البوزونات المعروفة ، ويشمل أشياء غريبة مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء والمواد المضادة. تم قياس كمية المادة الطبيعية في الكون من خلال مجموعة متنوعة من الأساليب ، وهي لا تزيد إلا عن سدس ما يجب أن يكون حاضرًا ، بشكل عام ، لشرح التفاعلات الجاذبية التي نراها على المقاييس الكونية.

المشكلة الكبيرة ، بالطبع ، هي أن جميع أدلةنا على المادة المظلمة غير مباشرة. يمكننا أن نلاحظ آثاره في مختبر الفضاء الفيزيائي ، لكننا لم نكتشفها مباشرة ، في مختبر هنا على الأرض. هذا ليس ، مانع لك ، لعدم وجود محاولة.

قاعة B LNGS مع منشآت XENON ، مع تركيب الكاشف داخل الدرع المائي الكبير. إذا كان هناك أي مقطع غير صفري بين المادة المظلمة والمادة الطبيعية ، فلن يكون للتجربة مثل هذه فرصة للكشف عن المادة المظلمة مباشرةً فحسب ، بل هناك أيضًا فرصة لتفاعل المادة المظلمة مع جسمك البشري في النهاية. (INFN)

إذا كنت ترغب في اكتشاف المادة المظلمة مباشرةً ، فستكون بسيطة مثل اكتشاف الجزيئات المعروفة في النموذج القياسي. لأي شيء مصنوع من الكواركات أو اللبتونات أو البوزونات المعروفة ، يمكننا تحديد القوى التي يتفاعلون من خلالها وبأي حجم. يمكننا استخدام ما نعرفه عن الفيزياء ، وخاصة حول القوى والتفاعلات المعروفة بين الجزيئات المعروفة ، للتنبؤ بكميات مثل المقاطع العرضية ، ومعدلات الانحلال ، والمنتجات ، وسعة الانتثار ، وغيرها من الخصائص التي يمكننا قياسها في التجارب فيزياء الجسيمات.

اعتبارًا من عام 2019 ، حققنا نجاحًا هائلاً على تلك الجبهات التي أكدت النموذج القياسي بطرق لم يكن من الممكن أن يحلم بها كل من المنظرين والتجاربيين منذ نصف قرن فقط. قاد الكاشفون عند المصادمات والمرافق المعزولة تحت الأرض الطريق إلى الأمام.

تم الآن اكتشاف جزيئات والجسيمات المضادة للنموذج القياسي بشكل مباشر ، وكان آخرها ، بوز هيجز ، يسقط عند LHC في وقت سابق من هذا العقد. يمكن إنشاء كل هذه الجزيئات في طاقات LHC ، وتؤدي كتل الجسيمات إلى ثوابت أساسية ضرورية للغاية لوصفها بشكل كامل. يمكن وصف هذه الجسيمات جيدًا بواسطة فيزياء نظريات الحقل الكمومي التي يقوم عليها النموذج القياسي ، لكنها لا تصف كل شيء ، مثل المادة المظلمة. (E. سيجل / وراء المجرة)

هناك مجموعة كاملة من الجزيئات - الأساسية والمركبة - التي تنبأ بها النموذج القياسي. يمكن حساب تفاعلاتها من خلال القوى النووية القوية والكهرومغناطيسية والضعيفة من خلال تقنيات تم تطويرها في نظرية المجال الكمومي ، مما يسمح لنا بإنشاء هذه الجزيئات واكتشافها بطرق متنوعة.

لقد تم الآن إنتاج كل كوارك ومضادة فردية بشكل مباشر في مسرّع ، حيث سقطت الكوارك العلوي ، وهو آخر تعليق ، في عام 1995.

لقد تم اكتشاف كل لبتون و antilepton بواسطة أجهزة الكشف ، مع تاو نيوترينو (ونظيرها في المادة المضادة ، تاو antineutrino) يكمل قطاع اللبتون في أوائل عام 2000.

وقد تم إنشاء كل واحد من بوزونات Standard Model والكشف عنها أيضًا ، مع Boson Higgs ، الجزء الأخير من اللغز ، الذي ظهر بشكل نهائي في LHC في عام 2012.

تم الإعلان عن أول اكتشاف قوي بخمسة سيغما لبوزان هيغز منذ بضع سنوات من قبل كل من CMS و ATLAS. لكن بوز Higgs لا يصنع

نحن نفهم كيف تتصرف جزيئات النموذج القياسي. لدينا توقعات قوية حول كيفية تفاعلهم من خلال جميع القوى الأساسية ، والتأكيد التجريبي لتلك النظريات. لدينا أيضًا قيود غير عادية على كيفية السماح لهم بالتفاعل بطريقة غير قياسية. نظرًا للقيود التي نواجهها من المعجلات والأشعة الكونية وتجارب التحلل والمفاعلات النووية وغيرها ، تمكنا من استبعاد العديد من الأفكار المحتملة التي تم افتراضها.

عندما يتعلق الأمر بما يمكن أن يشكل المادة المظلمة ، ومع ذلك ، كل ما لدينا هو الملاحظات الفيزيائية الفلكية وعملنا النظري ، جنبا إلى جنب ، لإرشادنا. تشمل النظريات المحتملة التي توصلنا إليها عددًا هائلاً من المرشحين للمادة المظلمة ، ولكن لم تحصل أي منها على أي دعم تجريبي.

القوى الموجودة في الكون ، وعما إذا كان بإمكانهم الاقتران بالمادة المظلمة أم لا. الجاذبية هي اليقين ؛ جميع الآخرين إما لا أو مقيدة للغاية بالنسبة لمستوى التفاعل. (معهد PERIMETER)

مرشح المادة المظلمة الأكثر طلبًا هو WIMP: الجسيمات الضخمة المتفاعلة ضعيفة. في الأيام الأولى - أي في السبعينيات من القرن الماضي - تم إدراك أن بعض نظريات فيزياء الجسيمات التي تنبأت بجزيئات جديدة وراء النموذج القياسي يمكن أن تنتج في النهاية أنواعًا جديدة من الجسيمات المستقرة المحايدة إذا كان هناك نوع جديد من التكافؤ (نوع من التماثل) الذي منعهم من التدهور.

يتضمن هذا الآن أفكارًا مثل التناظر الفائق أو الأبعاد الإضافية أو سيناريو هيجز الصغير. كل هذه السيناريوهات لها نفس القصة المشتركة:

  • عندما كان الكون حارًا وكثيفًا في وقت مبكر ، تم إنشاء جميع الجزيئات (والجسيمات المضادة) التي يمكن إنشاؤها بكثرة كبيرة ، بما في ذلك أي جزيئات إضافية تتجاوز النموذج القياسي.
  • عندما يبرد الكون ، تتحلل تلك الجسيمات إلى جزيئات أخف وزنا وأكثر ثباتًا.
  • وإذا كان الأخف وزنا كان مستقرا (بسبب التماثل التكافلي الجديد) ومحايد كهربائيا ، فإنه سيستمر حتى يومنا هذا.

إذا قمت بتقييم الكتلة والقطع العرضي لتلك الجسيمات الجديدة ، فيمكنك الحصول على كثافة متوقعة للوفرة المقدرة اليوم.

من أجل الحصول على الوفرة الكونية الصحيحة للمادة المظلمة (المحور الصادي) ، تحتاج إلى أن يكون للمادة المظلمة المقاطع العرضية للتفاعل الصحيح مع المادة الطبيعية (يسار) وخصائص الإبادة الذاتية الصحيحة (يمين). تستبعد تجارب الاكتشاف المباشر هذه القيم ، التي يستلزمها بلانك (الأخضر) ، مما يحبط المادة المظلمة ذات القوة الضعيفة المتفاعلة في WIMP. (ص. بوبال ديف ، أنوبام مازومدار ، وصالح قطب ، فرونت. PHYS. 2 (2014) 26)

هذا هو المكان الذي جاءت منه فكرة المادة الخفية WIMP. لم تكن هذه الجسيمات الجديدة تتفاعل من خلال التفاعل القوي أو الكهرومغناطيسي ؛ تحتوي هذه التفاعلات على نسبة عالية جدًا من المقطع العرضي وستظهر بالفعل. لكن التفاعل النووي الضعيف هو الاحتمال. في الأصل ، كانت كلمة "W" في WIMP تعني التفاعل الضعيف ، بسبب صدفة مذهلة (تظهر في التناظر الفائق) تعرف باسم معجزة WIMP.

إذا وضعت في كثافة المادة المظلمة التي يتطلبها الكون اليوم ، فيمكنك استنتاج عدد جزيئات المادة المظلمة التي تحتاجها كتلة معينة لتكوينها. النطاق الهائل من الاهتمام بالتناظر الفائق - أو أي نظرية تظهر على مقياس الضعيف الكهربائي - هو في الملعب من 100 GeV إلى 1 TeV ، حتى نتمكن من حساب ما يجب أن يكون المقطع العرضي للإبادة الذاتية من أجل الحصول على الوفرة الصحيحة من المادة المظلمة.

تبين أن هذه القيمة (المقطع العرضي مضروبة في السرعة) تبلغ حوالي 3 × 10 ^ - 26 سم مكعب / ثانية ، وهو ما يتماشى تمامًا مع ما تتوقعه إذا تفاعلت هذه الجسيمات من خلال قوة الضعيف الكهربائي.

اليوم ، تُستخدم مخططات فاينمان في حساب كل تفاعل أساسي يمتد للقوى الكهرومغناطيسية القوية والضعيفة والقوية ، بما في ذلك في ظروف الطاقة المنخفضة ودرجات الحرارة المنخفضة / المكثفة. إذا كان هناك جسيم جديد يربط بين التفاعل الضعيف ، فسيتفاعل ، على مستوى ما ، مع جزيئات النموذج القياسي المعروفة ، وبالتالي يكون لديه مقطع عرضي مع البروتون والنيوترون. (دي كارفالو ، فانويلدو إس. إيه تي. أل. نوس. بي 875 (2013) 738-756)

بالطبع ، إذا تفاعلت أي جسيمات جديدة من خلال قوة الضعيف الكهربائي ، فستكون متقاربة مع جزيئات النموذج القياسي أيضًا. إذا كان هناك جسيم جديد يتزاوج ، على سبيل المثال ، مع بوزون W أو Z (الذي يحمل القوة الضعيفة) ، فهناك احتمال محدود غير صفري بأن تصطدم هذه الجسيمات مع أي جسيم جسيمات الأزواج ب أو ب ، مثل كوارك داخل بروتون أو نيوترون.

هذا يعني أنه يمكننا بناء تجارب للمادة المظلمة تبحث عن الارتداد النووي لجزيئات المادة المعروفة المعروفة. الارتداد خارج تلك التي تسببها المادة الطبيعية سيكون دليلا على وجود المادة المظلمة. بالتأكيد ، هناك أحداث خلفية: النيوترونات ، النيوترونات ، النوى المتحللة إشعاعيًا في المادة المحيطة ، وما إلى ذلك. ولكن إذا كنت تعرف مجموعات الطاقة والزخم للإشارة التي تبحث عنها ، وقمت بتصميم تجربتك بذكاء ، الخلفية واستخراج أي إشارة المادة المظلمة المحتملة التي قد تكون هناك.

حدود المقطع العرضي للبروتون والنيوترون من تعاون LUX ، والتي استبعدت فعليًا آخر مساحة للمعلمات التي تعود إلى عصر 2000 لتفاعلات WIMP من خلال القوة الضعيفة التي تمثل 100٪ من المادة المظلمة. لاحظ ، في المناطق المظللة قليلاً في الخلفية ، كيف يقوم المنظرون بتنبؤات

هذه التجارب مستمرة الآن منذ عقود ، ولم ترَ أي مادة مظلمة. تأتي القيود الحديثة الأكثر صرامة من LUX (أعلاه) و XENON 1T (أدناه). تُبلغنا هذه النتائج بأن المقطع العرضي التفاعلي للبروتونات والنيوترونات صغير جدًا ، ويختلف بالنسبة لكل من السيناريوهات المعتمدة على الدوران والمستقل.

لقد دفعتنا LUX إلى حدود المقطع العرضي المعتمدة على الدوران أقل من 1.0–1.6 × 10 ^ −41 cm ² للبروتونات والنيوترونات وتلك المستقلة ذات الدوران أقل من 1.0 × 10 ^ −46 cm ²: منخفضة بما يكفي لاستبعاد جميع طرز SUSY المادة المظلمة المقترحة بحلول عام 2001. يوجد الآن قيد أكثر حساسية من XENON: قيد النيوترون المعتمد على الدوران هو 6 × 10−42 سم مربع ، في حين أن المقاطع العرضية المستقلة عن الدوران أقل من 4.1 × 10-47 سم ² ، مما يزيد من تشديد الخناق .

يحصل المقطع العرضي WIMP / nucleon المستقل تدورًا على أكثر حدوده صرامة من تجربة XENON1T ، والتي تحسنت على جميع التجارب السابقة ، بما في ذلك LUX. في حين أن المنظرين وعلماء الظواهر سيستمرون بلا شك في إنتاج تنبؤات جديدة ذات أقسام عرضية أصغر وأصغر ، فقد فقدت فكرة معجزة WIMP كل الدوافع المعقولة مع النتائج التجريبية التي لدينا بالفعل في متناول اليد. (E. APRILE ET AL. ، PHYS. REV. LETT. 121، 111302 (2018))

هذا قياس مختلف عن إبادة جزيئات المادة المظلمة ، لكن هذا القياس يخبرنا بشيء لا يصدق. تستبعد هذه التجارب نماذج التماثل الفائق أو الأبعاد الإضافية التي تعطي وفرة المادة المظلمة الصحيحة من خلال التفاعلات الضعيفة. إذا كانت هناك مادة مظلمة لـ WIMP ، فيجب أن تكون أضعف مما يسمح به التفاعل الضعيف لتشكيل 100٪ من المادة المظلمة. بالإضافة إلى ذلك ، لا ينبغي أن تنتج LHC بشكل يمكن اكتشافه.

يمكن للمنظرين دائمًا تعديل نماذجهم ، وفعلوا ذلك مرات عديدة ، مما دفع المقطع العرضي المتوقع لأسفل ولأسفل كنتيجة فارغة بعد ظهور النتائج الفارغة. هذا هو أسوأ أنواع العلوم التي يمكنك القيام بها ، ولكن: ببساطة ، يمكنك تغيير مواقع الأهداف بدون أصبح السبب الجسدي بخلاف القيود التجريبية أكثر حدة. لم يعد هناك أي دافع ، بخلاف تفضيل الاستنتاج الذي تستبعده البيانات عند القيام بذلك.

كانت هناك مجموعة كبيرة ومتنوعة من توقيعات الفيزياء الجديدة المحتملة التي يسعى إليها علماء الفيزياء في LHC ، من الأبعاد الإضافية إلى المادة المظلمة إلى الجزيئات الفائقة التناظر إلى الثقوب السوداء الصغرى. على الرغم من جميع البيانات التي جمعناها من هذه التصادمات عالية الطاقة ، لم تظهر أي من هذه السيناريوهات أدلة تدعم وجودها. (CERN / ATLAS EXPERIMENT)

لكن إجراء تجارب الكشف المباشر هذه لا يزال ذا قيمة كبيرة. هناك طرق أخرى لإنتاج المادة المظلمة التي تتجاوز السيناريو الأكثر تقليدية. علاوة على ذلك ، فإن هذه القيود لا تستلزم مصدرًا غامقًا للمادة المظلمة. العديد من السيناريوهات الأخرى المثيرة للاهتمام لا تحتاج إلى معجزة WIMP.

على مدار عقود عديدة ، تم الاعتراف بـ "W" ليس للتفاعل الضعيف ، ولكن للوقوف أمام تفاعل لا أقوى مما تسمح به القوة الضعيفة. إذا كانت لدينا جزيئات جديدة تتجاوز النموذج القياسي ، فيُسمح لنا أيضًا بتكوين قوى وتفاعلات جديدة. تجارب مثل XENON و LUX هي طريقتنا الوحيدة لاستكشاف تلك التجارب.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن مرشحي المادة المظلمة التي يتم إنتاجها بواسطة آلية مختلفة في نطاقات كتلة منخفضة ، مثل المحاور أو النيوترونات العقيمة ، أو من خلال تفاعل الجاذبية وحده في كتل أعلى ، مثل WIMPzillas ، تلعب دورًا كبيرًا.

الإعداد المبرد لإحدى التجارب التي تبحث عن استغلال تفاعل افتراضي لمرشح المادة الخفية غير WIMP: المحور. المحاور ، إذا كانت المادة المظلمة ، قد تتحول إلى فوتونات من خلال التفاعل الكهرومغناطيسي ، وقد تم تصميم التجويف الموضح هنا لاختبار هذا الاحتمال. ومع ذلك ، إذا لم يكن للمادة المظلمة الخصائص المحددة التي تختبرها التجارب الحالية ، فلن تجدها على الإطلاق أي من أجهزة الكشف التي أنشأناها مباشرة. (تجربة تجربة AXION DARK (ADMX) / LLNL'S FLICKR)

إن بحثنا عن المادة المظلمة في المختبر ، من خلال جهود الكشف المباشر ، يواصل فرض قيود مهمة على ما قد تكون الفيزياء موجودة خارج النموذج القياسي. بالنسبة لأولئك الذين يرتبطون بالمعجزات ، يبدو أن أي نتائج إيجابية تبدو الآن غير مرجحة على نحو متزايد. هذا البحث يذكرنا الآن في حالة سكر يبحث عن مفاتيحه المفقودة تحت المصباح. إنه يعرف أنهم ليسوا هناك ، لكنه المكان الوحيد الذي يضيء فيه الضوء ليظهر.

قد تكون معجزة WIMP قد ماتت وذهبت ، حيث إن الجسيمات التي تتفاعل من خلال القوة الضعيفة في مقياس الصعق بالكهرباء قد تم إحباطها بواسطة كل من المصادمات والاكتشاف المباشر. فكرة WIMP المادة المظلمة ، ومع ذلك ، لا يزال قائما. علينا فقط أن نتذكر ، عندما تسمع WIMP ، فإننا نضم المادة المظلمة الأضعف والأكثر ذكاءً حتى من التفاعلات الضعيفة التي تسمح بها. لا شك أن هناك شيئًا جديدًا في الكون ، ينتظر أن يتم اكتشافه.

معجزة WIMP قد انتهت. لكن لا يزال بإمكاننا الحصول على أفضل معجزة: إذا كانت هذه التجارب تتحول إلى شيء يتجاوز النتيجة الباطلة. الطريقة الوحيدة لمعرفة هو أن ننظر.

يبدأ تطبيق "بدء بـ A Bang" الآن في مجلة "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم التكنولوجيا: "علم ستار تريك" من ترايكردز إلى وارب درايف.