SuperCDMS SNOLAB يبدأ بحثًا جديدًا عن المادة المظلمة الخفيفة

تم تشغيل كاشف كبير للمادة المظلمة تحت الأرض في كندا

بدأ أحد أحدث تجارب الكشف المباشر في فيزياء الجسيمات عملياته العلمية، في خطوة لافتة ضمن الجهد العالمي الطويل لتحديد ماهية المادة المظلمة. وقد دخل SuperCDMS SNOLAB، المثبّت في أعماق تحت الأرض بالقرب من سادبري في أونتاريو، فيما يصفه المشروع بأنه مرحلة العلم المبكر، ما يعني أن الكواشف أصبحت تجمع البيانات بدلًا من بقائها في مرحلة البناء والتشغيل التجريبي.

تكتسب بداية التشغيل أهميتها لأن المادة المظلمة لا تزال واحدة من أكبر المشكلات غير المحسومة في الفيزياء الحديثة. يستدل الفلكيون وعلماء الكونيات على وجودها من طريقة دوران المجرات، وكيفية تكتل المادة عبر الكون، ومن سلوك الجاذبية على المقاييس الكبيرة. ومع ذلك، لم يتمكن أيٌّ من التجارب من التقاط الجسيمات التي يُعتقد أنها تشكّل تلك الكتلة المفقودة بشكل قاطع. صُمم SuperCDMS SNOLAB لدفع هذا البحث إلى جزء من فضاء المعلمات كان صعبًا للغاية في الاستكشاف: ما يُعرف بالمادة المظلمة الخفيفة.

في هذا السياق، لا تعني كلمة “خفيفة” أنها مرئية أو مضيئة. بل تشير إلى جسيمات افتراضية ذات كتلة منخفضة نسبيًا مقارنةً بمرشحات المادة المظلمة الأخرى التي هيمنت على عمليات البحث السابقة. ويُتوقع أن تتفاعل هذه الجسيمات الأخف مع المادة العادية بضعف شديد، منتجةً إشارات خافتة جدًا إلى درجة أن التجارب يجب أن تجمع بين التدريع الشديد، والظروف فائقة البرودة، وأنظمة قراءة شديدة الحساسية، كي يكون لديها أي فرصة لرصدها.

لماذا SNOLAB ولماذا الآن

كان SuperCDMS SNOLAB قيد الإنشاء النشط منذ عام 2018 بعد أعمال تصميم أسبق. وتعني مرحلته التشغيلية الجديدة أن التجربة قد تجاوزت عتبة مهمة من التحضير إلى القياس. والخطة الأولية هي التشغيل لمدة ثلاث سنوات، مع احتمال تمديد هذه المدة إذا سارت العمليات على ما يرام. وعمليًا، يعني “سيرها على ما يرام” أن تظل الكواشف مستقرة، وأن تبقى الخلفيات منخفضة، وأن يتمكن التعاون العلمي من جمع ما يكفي من البيانات النظيفة لاختبار نماذج المادة المظلمة الخفيفة بحساسية أكبر من ذي قبل.

توجد التجربة في SNOLAB داخل منجم فالي كرايتون، على عمق يقارب 1.6 كيلومتر تحت الأرض. وهذا الموقع ليس عشوائيًا. فتكبَّس كواشف المادة المظلمة في أعماق الأرض يهدف إلى حمايتها من الأشعة الكونية ومن مصادر الإشعاع الأخرى التي قد تحاكي الإشارات الضئيلة التي يحاول الباحثون عزلها. وكلما زاد العمق، ساعدت الصخور المحيطة أكثر في كبح التداخل القادم من العالم الخارجي.

هذا الوسط تحت الأرض سمة قياسية في أفضل عمليات البحث عن المادة المظلمة، لكن SuperCDMS يضيف طبقة أخرى من الصعوبة التقنية عبر التشغيل عند درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق. فالتبريد الشديد ضروري لأن التجربة تبحث عن ترسبات طاقة متناهية الصغر كانت ستضيع في الضجيج الحراري. ولو كان الكاشف أدفأ، لأغرق عمليًا الهمس الذي يحاول سماعه.

كيف يعمل الكاشف

في قلب التجربة توجد 24 بلورة فائقة النقاء من السيليكون والجرمانيوم، يقترب حجم كل منها من حجم قرص الهوكي. وإذا اصطدم جسيم من المادة المظلمة بإحدى هذه البلورات، فقد ينتج نوعين من التأثيرات: فونون، وهو اهتزاز دقيق جدًا في الشبكة البلورية، وإشارة كهربائية خافتة للغاية. ويساعد رصد الاثنين معًا العلماء على التمييز بين تفاعل جسيمي محتمل وبين أحداث الخلفية العادية.

وللتقاط هذه الإشارات، جُهزت كل بلورة بحساسات فائقة التوصيل. ويجب أيضًا إبقاء هذه الحساسات شديدة البرودة حتى تظل ظاهرة التوصيل الفائق قائمة، ويستطيع الكاشف الاستجابة لاضطرابات صغيرة جدًا. لذا فإن المنظومة بأكملها تمثل تمرينًا على تقليل كل مصدر محتمل للالتباس. فالباحثون لا يبحثون فقط عن شيء نادر، بل عن شيء يكون أثره المتوقع دقيقًا إلى حد بالغ.

يمنح هذا التصميم SuperCDMS دورًا محددًا ضمن المشهد الأوسع للبحث عن المادة المظلمة. فبعض التجارب مُحسَّن للجسيمات المرشحة الأثقل وتعتمد على كتل هدف كبيرة لتحسين فرصها. أما SuperCDMS فيسعى بدلًا من ذلك إلى أن يكون شديد الحساسية للمرشحين الأخف، الذين قد ينقلون طاقة أقل بكثير عند اصطدامهم بالمادة. وإذا كانت المادة المظلمة تقيم في هذا النطاق الأخف، فقد يفوّتُها كاشف مضبوط للجسيمات الثقيلة تمامًا.

ما الذي يعنيه النجاح

سيكون الكشف المباشر المؤكَّد واحدًا من أهم نتائج الفيزياء في هذا القرن. إذ سيقدم أول دليل تجريبي على الطبيعة الجسيمية للمادة المظلمة، ويفتح طريقًا لفهم مكوّن من الكون يبدو أنه يفوق المادة العادية بكثير. وحتى النتيجة السلبية ستكون مهمة. فمن خلال استبعاد المزيد من الاحتمالات، يمكن لـ SuperCDMS المساعدة في تنقيح النماذج النظرية وتوجيه التجارب المستقبلية نحو مناطق أكثر وعدًا.

وهذه هي الأهمية الأوسع لمحطات “العلم المبكر” مثل هذه. فالفيزياء الجسيمية لا تتقدم بالاكتشافات المذهلة فقط، بل أيضًا عبر التضييق المنهجي للفرضيات. فكل تجربة تُدار جيدًا تختبر مجموعة من الافتراضات تحت شروط مضبوطة بعناية. وعندما تفشل تلك الافتراضات، يكتسب الحقل معلومات جديدة. وعندما يرصد الكاشف شيئًا غير متوقع، قد تكون التداعيات هائلة.

يبدأ SuperCDMS عملياته في وقتٍ أصبح فيه بحث المادة المظلمة ناضجًا لكنه ما يزال غير محسوم. فقد حسنت عقود من البحث حساسية الكواشف تحسينًا كبيرًا، لكن غياب إشارة حاسمة أجبر العلماء على توسيع نطاق الاحتمالات التي يعدونها معقولة. ويشمل ذلك المرشحين الأقل كتلة، وآليات التفاعل البديلة، وتقنيات الكاشف الأكثر تخصصًا. ولذلك فإن إطلاق منشأة صُممت خصيصًا للمادة المظلمة الخفيفة ليس مجرد جولة أخرى ضمن برنامج قائم، بل هو جزء من تحول استراتيجي في طريقة سعي هذا المجال إلى حل أحد أصعب أسئلته.

لا يوجد ضمان بأن السنوات الثلاث المقبلة ستسفر عن اكتشاف. فالمادة المظلمة صمدت طويلًا أمام الرصد لأنها تبدو شديدة الضعف في تفاعلها، إن كانت تتفاعل أصلًا، مع المادة المألوفة. لكن تجارب مثل SuperCDMS مهمة لأنها تحوّل الأدلة الكونية المجردة إلى اختبار مخبري ملموس. فهي تسأل عمّا إذا كانت الكتلة غير المرئية التي تشكل الكون يمكن أن تترك حتى أضعف أثر في بلورة جرى تبريدها إلى حافة الصفر المطلق.

وفي الوقت الراهن، تكمن الأهمية في البداية. فبعد سنوات من البناء وأعمال التدريع وتجهيز الكاشف، بدأ SuperCDMS SNOLAB العملية التي صُمم من أجلها: الإصغاء إلى حدث يكاد لا يُدرك، والذي قد يعيد، إذا كان حقيقيًا، تشكيل فهمنا للكون.

• دخل SuperCDMS SNOLAB مرحلة التشغيل العلمي المبكر بعد سنوات من البناء والإعداد.
• صُمم الكاشف للبحث عن المادة المظلمة الخفيفة باستخدام بلورات سيليكون وجرمانيوم فائقة البرودة.
• الهدف من موقعه تحت الأرض وحساساته فائقة التوصيل هو تقليل الضوضاء والتقاط الإشارات الضعيفة للغاية.

تعتمد هذه المقالة على تغطية Universe Today. اقرأ المقال الأصلي.