في كل مكان

في دائرة الضوء
أخبار
LNGS-INFN
وتعود قصة اكتشاف المادة المظلمة إلى
تجربة ‏»داما«‏ DAMA البحثية،‏ التي يقبع
كاشفها في المختبر الواقع في أعماق منطقة
جران ساسو ماسيف،‏ شرقي روما.‏ وال أ كثر
من عقد من الزمان،‏ نُشرت أدلة 1 دامغة عن
وجود المادة المظلمة،‏ وهي مادة غير مرئية،‏
يُعتقد أنها تربط المجرّات معً‏ ا من خالل تأثير
جاذبيتها.‏ وحاليًّا،‏ سيبدأ أول كاشف جديد في
العمل وتسجيل القياسات في غضون بضعة
أسابيع من كوريا الجنوبية،‏ وسيتبعه باقي
الكواشف على مدى السنوات القليلة المقبلة
في إسبانيا،‏ وأستراليا،‏ ومرة أخرى في جران
ساسو.‏ وستَستخدِ‏ م جميع الكواشف بلورات
يوديد الصوديوم؛ الكتشاف المادة المظلمة،‏
الذي لم تتميز به سابقًا أي تجربة واسعة
النطاق،‏ سوى تجربة ‏»داما«.‏
ويمتلك العلماء أدلة قوية على وجود
المادة المظلمة،‏ ويتكهَّنون بأنها تتوافر على
اال أ قل بمعدل خمسة أضعاف المادة العادية،‏
لكن طبيعتها ال تزال لغزًا.‏ وتقول الفرضية
السائدة إن جزءًا منها يتكون من جسيمات
ضخمة ضعيفة التفاعل،‏ تُعرف اختصارًا
ب»ويمبس«‏ ،WIMPs وتصطدم عرضيًّا مع
أنوية الذرات في محيط كرتنا اال أ رضية.‏
وقد كان متوقَّعً‏ ا لدى وقوع هذا
االصطدام أن تُصْ‏ دِ‏ ر بلورات يوديد
الصوديوم لتجربة ‏»داما«‏ ومضة ضوئية.‏
وعلى الرغم من أن النشاط االإشعاعي
الطبيعي يتسبب أيضً‏ ا في إصدار الومضات نفسها،‏ إال أن
تجربة ‏»داما«‏ كشفت عن تلك الجسيمات الضخمة ضعيفة
التفاعل ال أ ول مرة في عام 1998، مستندةً‏ إلى حقيقة أنّ‏ عددًا
من الومضات الناتجة يوميًّا قد اختلف مع الفصول.‏
وهذا هو المتوقع تكرار حدوثه مع جسيمات ‏»ويمبس«،‏
التي تمطر اال أ رض،‏ بينما نتحرك في نظامنا الشمسي خالل
هالة المادة المظلمة في مجرّة درب التبانة . 2 وبناء على هذا
السيناريو،‏ فإن عدد الجسيمات التي تعبر اال أ رض يجب أن
يصل إلى ذروته عندما تصطف خطوط حركة مدارات كوكبنا
مع الشمس في أوائل شهر يونيو المقبل،‏ وبالتالي يجب أن
يسجل أدنى مستوى له عندما تعمل حركتها ضد الشمس
في أوائل ديسمبر المقبل،‏ ولكن هناك مشكلة واحدة كبيرة،‏
‏»فإذا كانت المادة المظلمة موجودة حقًّا،‏ لكان أولى بتجارب
أخرى عديدة أن ترصدها،‏ وهو ما لم يحدث«،‏ كما يقول
توماس شفيتز-‏ مانجولد،‏ وهو باحث في الفيزياء النظرية في
معهد كارلسروه للتكنولوجيا في ألمانيا.‏ وفي الوقت نفسه،‏ كل
محاوالت العثور على نقاط ضعف في تجربة ‏»داما«‏ التي ربما
تسببت في هذا الرصد،‏ مثل تأثيرات بيئية لم تؤخذ في االعتبار
باءت بالفشل.‏ يقول كايكسوان ني من جامعة كاليفورنيا،‏
سان دييجو،‏ الذي يعمل على تجربة للمادة المظلمة تُسمى
‏»زينون‎1‎ تي«‏ :XENON1T ‏»إن إشارة التضمين هناك،‏ ولكن
كيف يمكن تفسير تلك االإشارة،‏ إنْ‏ كانت من المادة المظلمة،‏
أم من أي شيء آخر؟«.‏
ولم تَستخدِ‏ م أي تجربة أخرى واسعة النطاق يوديد
الصوديوم في كواشفها،‏ على الرغم من أن تجربة كوريا
الجنوبية للبحث عن الكتلة الخفية التي تُعرف اختصارًا
باسم ‏»كيمس«‏ KIMS استخدمت يوديد السيزيوم،‏ ولذلك..‏
يبقى احتمال أن المادة المظلمة تتفاعل مع الصوديوم
بطريقة مختلفة عن العناصر اال أ خرى.‏ ‏»وحتى تحين اللحظة
التي يُستخدم فيها كاشف مصنوع من المادة نفسها،‏ لن
يَ‏ ستخدِ‏ م فريق ‏»داما«‏ البحثي يوديد الصوديوم الموجود في النحاس؛ للبحث عن المادة المظلمة.‏
يفتر اقتناعنا بأنه ال شيء هناك«،‏ كما يقول خوان كوالر من
جامعة شيكاجو،‏ إلينوي،‏ الذي عمل على عديد من تجارب
المادة المظلمة.‏
وقد وجدت مجموعات بحثية عديدة صعوبة في الحصول
على بلورات يوديد الصوديوم بدرجة النقاء المطلوبة،‏ حيث
يمثل التلوث بالبوتاسيوم الذي له نظير مشع طبيعيًّا
مشكلة واضحة،‏ ولكن حاليًّا تم التغلب على هذه المشكلة،‏
حيث حصلت ثالث مجموعات بحثية تستهدف اصطياد
المادة المظلمة ،KIMS( وDM-Ice‏،‏ وANAIS‏(‏ تدار اال أ ولى
والثانية ‏»كيمس،‏ ودي إم-آيس«‏ من خالل جامعة ييل في
نيو هيفن،‏ كونيتيكت،‏ بينما توجد الثالثة ‏»آنيس«‏ في جامعة
سرقسطة،‏ إسبانيا على بلورات لها تقريبًا ضعف مستوى
النشاط االإشعاعي الخلفي،‏ مقارنةً‏ ببلورات تجربة ‏»داما«،‏ مما
يعني أنها على درجة كافية من النقاء الختبار نتائجها.‏
وقد تعاونت الفرق البحثية لكل من ‏»كيمس«،‏ و»دي إم-‏
آيس«‏ في تشييد كاشف أيوديد الصوديوم في مختبر يانج يانج،‏
الموجود تحت اال أ رض على بعد 160 كيلومترًا شرق سيول.‏
ويَستخدِ‏ م هذا الجهاز مستشعر ‏»فيتو نشط«،‏ من شأنه فصل
إشارة المادة المظلمة من ضجيج الخلفية بشكل أفضل مما
تم في تجربة ‏»داما«،‏ كما يقول يونجدوك كيم،‏ مدير مركز
كوريا الجنوبية لفيزياء تحت اال أ رض في ديجون،‏ الذي يدير
الفريق البحثي ‏»كيمس«.‏
ويقوم الفريق البحثي ‏»آنيس«‏ ببناء كاشف مماثل في
مختبر كانفرانك تحت اال أ رض في جبال البيرينيه االإسبانية.‏
وسيكون لدى الفرق البحثية مجتمعةً‏ حوالي 200 كجم من
يوديد الصوديوم،‏ كما أنها ستشترك في البيانات المجمَّ‏ عة.‏
وهذا ال يختلف كثيرًا عمّ‏ ا احتوت عليه تجربة ‏»داما«،‏ وهو
250 كجم،‏ ولذا..‏ يمكنها التقاط عدد مماثل من جسيمات
‏»ويمبس«،‏ حسب توقعاتها.‏ وعلى الرغم من أن الكواشف
الحديثة ستحتوي على مستويات أعلى من ضجيج الخلفية،‏
سيظل ممكنًا تأكيد أو نفي إشارة تجربة
‏»داما«‏ الهائلة،‏ كما تقول رينا ماروياما من
جامعة ييل،‏ التي تقود الفريق البحثي ‏»دي
إم-آيس«.‏
ويجادل كاالبريس بأن درجة النقاء
العالية أكثر أهمية من الكتلة،‏ حيث طوَّر
هو ومعاونوه تقنية لخفض التلوث،‏ وأعلنوا
في يناير الماضي أنهم كانوا أول مَ‏ ن حصل
على بلورات أنقى من تجربة ‏»داما«.‏ ويتوقع
أن يقلل مستويات ضجيج الخلفية إلى عُشْ‏ ر
ما انطوت عليه تجربة ‏»داما«.‏
هذا..‏ باالإضافة إلى مشروع ‏»يوديد
الصوديوم بفلترة خلفية نشطة«،‏ المعروف
اختصارًا باسم ‏»سابر«‏ ،SABRE الذي
سيضع كاشفًا في جران ساسو،‏ وآخر في
مختبر فيزياء ستاويل تحت اال أ رض،‏ ويجري
بناؤه في منجم للذهب في والية فيكتوريا
بأستراليا.‏ كما سيتم استخدام مكشاف في
هذا المشروع؛ اللتقاط إشارة المادة المظلمة
من الضجيج،‏ وستكون له كتلة إجمالية،‏
قدرها 50 كجم.‏
ويجب أن يَستكمِ‏ ل مشروع ‏»سابر«‏
أبحاثه ومرحلة تطويره خالل سنة تقريبًا،‏
ثم يبني كواشفه في أقرب وقت بعد ذلك،‏
كما تقول كاالبريس،‏ ثم سيجعل تقنياته في
متناول مختبرات أخرى،‏ وهو اال أ مر الذي لم
تفعله تجربة ‏»داما«.‏ وفي ظل توافر كاشفين
توأمين في نصفي الكرة الشمالي والجنوبي،‏
سيتضح ما إذا كانت اال آ ثار البيئية هي التي تسببت في نتائج
تجربة ‏»داما«،‏ أم ال.‏ أما إذا كانت جسيمات ‏»ويمبس«‏
هي السبب،‏ فينبغي أن يرصد الكاشفان االإشارة نفسها
في الوقت ذاته.‏
وسيتوجب على تجربة ‏»داما«‏ االنتظار على اال أ قل حتى عام
2017، الإعالن أحدث نتائجها،‏ كما تقول ريتا برنابي المتحدثه
الرسمية للتجربة من جامعة روما تور فيرجاتا.‏ وقد صرحت أنها
ال تحبس أنفاسها بخصوص نتائج كواشف يوديد الصوديوم
القادمة.‏ وتستطرد قائلة:‏ ‏»تم التحقق بالفعل من النتائج التي
توصلنا إليها في عدد ال يُحصى من الفحوص خالل 14 دورة
سنوية،‏ ولذلك..‏ ليس لدينا أي سبب لنتحمَّ‏ س لِمَ‏ ا قد يقوم به
اال آ خرون«.‏ وتضيف قائلة إنه إذا لم ترصد تلك التجارب ما تم
التوصل إليه في تجربة ‏»داما«،‏ فهذا يعني أنهم ال يمتلكون
مستوى الحساسية الكافي للرصد.‏
هل يمكن لتلك المجموعات البحثية أن تثبت صحة نتائج
تجربة ‏»داما«؟ ‏»لم أكن مستعدًّ‏ ا لتصديق نتائج تجربة ‏»داما«،‏
أو حتى أَخْ‏ ذها على محمل الجد في البداية«،‏ كما تقول كاثرين
فريز،‏ وهي باحثة نظرية في الفيزياء الفلكية في جامعة
متشيجان في آن أربور،‏ وكانت أول مَ‏ ن اقترح مع زمالئها تقنية
التضمين الموسمية التي تستخدمها تجربة ‏»داما«‏ . 2 ويعود
عدم تصديقها بشكل جزئي إلى عدم وجود أي تفسير آخر
لالإشارة المرصودة،‏ لكنها حاليًّا أكثر أمالً‏ . وتشير حقيقة أن
الكثيرين حاولوا وفشلوا في تكرار تجربة ‏»داما«‏ إلى أنها ليست
بالعمل اليسير،‏ كما تقول إليزابيتا باربيريو من جامعة ملبورن،‏
التي تقود الذراع اال أ سترالية لمشروع ‏»سابر«.‏ وتعقِّب بقولها:‏
‏»كلما أنظر إلى تجربتهم؛ أدرك أنها تمَّ‏ ت بشكل جيد للغاية«.‏ ■
1. Bernabei, R. et al. Eur. Phys. J. C 73, 2648
(2013).
2. Drukier, A. K., Freese, K. & Spergel, D. N. Phys. Rev. D
33, 3495–3508 (1986).
الطبعة العربية | مايو | 2016 21
© 2015 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved
تُطبع المجلة بدعم من مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية