كاشف ‘Windchime’ قد يستخدم الجاذبية للبحث عن المادة المظلمة ‘الرياح’


قد يكون سر الكشف المباشر عن المادة المظلمة ينفجر في مهب الريح.

لا تزال المادة الغامضة بعيدة عن متناول العلماء على الرغم من أنها تفوق المادة المرئية في الكون بحوالي 8 إلى 1. لقد انتهت جميع المحاولات المختبرية للكشف المباشر عن المادة المظلمة – التي تُرى بشكل غير مباشر فقط من خلال تأثير جاذبيتها على حركة النجوم والمجرات. لم تتحقق.

وقد اعتمدت تلك المحاولات على الأمل الذي تمتلكه المادة المظلمة على الأقل بعض التفاعلات الأخرى مع المادة العادية بالإضافة إلى الجاذبية (SN: 10/25/16). لكن تجربة مقترحة تسمى Windchime ، على الرغم من مرور عقود على تحقيقها ، ستجرب شيئًا جديدًا: ستبحث عن المادة المظلمة باستخدام القوة الوحيدة المضمونة أن تشعر بها – الجاذبية.

يقول عالم الفيزياء النظرية دانيال كارني ، الذي وصف المخطط في مايو / أيار في اجتماع للجمعية الفيزيائية الأمريكية للفيزياء الجزيئية والضوئية في أورلاندو بولاية فلوريدا: “الفكرة الأساسية بسيطة للغاية”. نسيم ، كاشف Windchime حاول أن تستشعر مادة مظلمة “ريح“تهب على الأرض بينما النظام الشمسي يجلد حول المجرة.

إذا كانت مجرة ​​درب التبانة عبارة عن سحابة من المادة المظلمة في الغالب ، كما تشير القياسات الفلكية ، فيجب أن نبحر خلالها بسرعة حوالي 200 كيلومتر في الثانية. هذا يخلق رياحًا مظلمة ، لنفس سبب شعورك بالرياح عندما تمسك يدك من نافذة سيارة متحركة.

يعتمد كاشف Windchime على فكرة أن مجموعة من البندولات ستتأرجح في نسيم. في حالة دقات رياح الفناء الخلفي ، قد تكون قضبان معدنية أو أجراسًا متدلية ترن في الهواء المتحرك. بالنسبة لكاشف المادة المظلمة ، فإن البندولات عبارة عن مصفوفات من المكاشف الدقيقة فائقة الحساسية والتي ستدفعها قوى الجاذبية التي يشعر بها من تمرير أجزاء من المادة المظلمة. فبدلاً من ارتداد جزيئات الهواء عن الدقات المعدنية ، فإن جاذبية الجسيمات التي تشكل رياح المادة المظلمة قد تسبب تموجات مميزة لأنها تهب عبر مليار جهاز استشعار أو نحو ذلك في صندوق يبلغ قياسه حوالي متر لكل جانب.

رسم توضيحي لخمسة صفوف من البندولات تمثل إعداد كاشف Windchime
داخل كاشف Windchime (الموضح على شكل مصفوفة من البندولات الصغيرة) ، جسيم المادة المظلمة العابر (النقطة الحمراء) من شأنه أن يسحب الجاذبية على المستشعرات (المربعات الزرقاء) ويسبب تموجًا يمكن اكتشافه ، مثل الرياح التي تهب من خلال جرس رياح الفناء الخلفي.D. كارني وآخرون/المراجعة الجسدية د 2020

في حين أنه قد يبدو من المنطقي البحث عن المادة المظلمة باستخدام الجاذبية ، لم يجربها أحد في ما يقرب من 40 عامًا كان العلماء يسعون وراء المادة المظلمة في المختبر. هذا لأن الجاذبية ، نسبيًا ، قوة ضعيفة جدًا ويصعب عزلها في التجارب.

“أنت تبحث عن المادة المظلمة ل [cause] يقول كارني ، من مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا: “إنها إشارة جاذبية في المستشعر”. “وأنت تسأل فقط. . . هل يمكنني رؤية إشارة الجاذبية هذه؟ عند إجراء التقدير لأول مرة ، فإن الإجابة هي لا. سيكون في الواقع صعبًا للغاية “.

لم يمنع ذلك كارني ومجموعة صغيرة من الزملاء استكشاف الفكرة على أي حال في عام 2020. يقول: “قبل ثلاثين عامًا ، كان اقتراح هذا أمرًا مجنونًا تمامًا”. “لا يزال نوعًا من الجنون ، لكنه مثل الجنون الحدودي.”

نما تعاون مشروع Windchime منذ ذلك الحين ليشمل 20 فيزيائيًا. لديهم نموذج أولي Windchime مبني من مقاييس تسارع تجارية ويستخدمونه لتطوير البرنامج والتحليل الذي سيؤدي إلى الإصدار النهائي من الكاشف ، لكنه بعيد كل البعد عن التصميم النهائي. يقدر كارني أن الأمر قد يستغرق بضعة عقود أخرى لتطوير أجهزة استشعار جيدة بما يكفي لقياس الجاذبية حتى من المادة المظلمة الثقيلة.

يؤسس كارني الجدول الزمني على تطوير مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية، أو LIGO ، والذي تم تصميمه للبحث عن تموجات الجاذبية القادمة من اصطدام الثقوب السوداء (SN: 2/11/16). يقول إنه عندما تم تصميم LIGO لأول مرة ، كان من الواضح أن التكنولوجيا ستحتاج إلى تحسين مائة مليون مرة. أدت عقود من التطور إلى إنشاء مرصد يرى السماء في موجات الجاذبية. مع Windchime ، “نحن في نفس القارب بالضبط” ، كما يقول.

حتى في شكله النهائي ، سيكون Windchime حساسًا فقط لبتات المادة المظلمة التي تساوي تقريبًا كتلة ذرة دقيقة من الغبار. هذا ضخم على طيف الجسيمات المعروفة – أكثر من مليون ترليون ضعف كتلة البروتون.

“هناك مجموعة متنوعة من المواد المظلمة المرشحة المثيرة للاهتمام في [that scale] هذا بالتأكيد يستحق البحث عنه … بما في ذلك الثقوب السوداء البدائية من بدايات الكون ، “كما تقول كاثرين فريز ، عالمة الفيزياء في جامعة ميشيغان في آن أربور ، والتي ليست جزءًا من تعاون Windchime. تتبخر الثقوب السوداء ببطء ، وتسرب الكتلة مرة أخرى إلى الفضاء ، كما لاحظت ، مما قد يترك العديد من الآثار التي تشكلت بعد وقت قصير من اكتشاف الانفجار العظيم في كتلة Windchime.

ولكن إذا لم تكتشف التجربة أبدًا أي شيء على الإطلاق ، فستظل التجربة متميزة عن غيرها من مخططات الكشف عن المادة المظلمة ، كما يقول دان هوبر ، الفيزيائي في فيرميلاب في باتافيا بولاية إلينوي ، وهو أيضًا غير مشارك في المشروع. هذا لأنها ستكون أول تجربة يمكن أن تستبعد تمامًا بعض أنواع المادة المظلمة.

يقول هوبر ، حتى لو لم تسفر التجربة عن أي شيء ، “الشيء المذهل فيه [Windchime] … هو ذلك ، بغض النظر عن أي شيء آخر تعرفه عن جسيمات المادة المظلمة ، فهي ليست في نطاق الكتلة هذا “. مع التجارب الحالية، قد يكون الفشل في اكتشاف أي شيء بسبب التخمينات الخاطئة حول القوى التي تؤثر على المادة المظلمة (SN: 7/7/22).

ستكون Windchime هي التجربة الوحيدة التي تم تخيلها حتى الآن حيث أن رؤية لا شيء من شأنه أن يخبر الباحثين بشكل قاطع بما لا يمثله المادة المظلمة. لكن مع قليل من الحظ ، يمكن أن تكشف رياحًا من الثقوب السوداء الصغيرة ، أو حتى أجزاء أكثر غرابة من المادة المظلمة ، وهي تتخطى طريقنا بينما نتجه نحو مجرة ​​درب التبانة.



المصدر

ندى عبدالرحمن
مهتمة في العلوم والفضاء خاصةً محبة للتقنية اعمل كاتبة في موقع اراود