حوالي 80% من مادة الكون هي مادة غير مكتشفة تسمى "المادة المظلمة". على الرغم من أن وجوده قد تم وضعه نظريًا منذ حوالي 90 عامًا، إلا أن العلماء من تعاون JEDI يستخدمون تقنية مسرع الجسيمات المتقدمة لتطوير طرق جديدة لاكتشافه، على الرغم من أن الأدلة القاطعة لا تزال بعيدة المنال.
حوالي 80% من مادة الكون هي مادة غير مكتشفة تسمى "المادة المظلمة". في حين أن وجود المادة المظلمة تم وضعه نظريًا منذ حوالي 90 عامًا، إلا أن العلماء من تعاون JEDI، باستخدام تقنية مسرع الجسيمات المتقدمة، يطورون طرقًا جديدة للكشف عنها، على الرغم من أن الأدلة القاطعة لا تزال بعيدة المنال.
يوضح يورج بريتز، أحد المؤلفين المشاركين في الدراسة: "هذه هي الطريقة الوحيدة للتوفيق بين توزيع سرعة المادة المرئية داخل المجرات وبين المعرفة الحالية بأن الشكل غير المرصود سابقًا من المادة "المظلمة" يجب أن يؤدي أيضًا إلى استقرار المجرة". وهو أيضًا نائب مدير معهد الفيزياء النووية في مركز أبحاث يوريش وأستاذ في جامعة RWTH Aachen.
لقد ظل الفيزيائيون يبحثون عن هذه المادة منذ ثلاثينيات القرن العشرين. لا يوجد نقص في النظريات في المجتمع العلمي، لكن لم يتمكن أحد حتى الآن من اكتشاف المادة المظلمة بنجاح. وقال الدكتور فولكر هيجني: "وهذا لأن طبيعة المادة المظلمة لا تزال غير واضحة تماما".
الدكتور هايني هو أيضًا من معهد يوليش للفيزياء النووية، ومثل زميله يورج بريتز، هو عضو في تعاون JEDI الدولي الذي أجرى التجربة. JEDI هو اختصار لتحقيقات Jülich Electric Dipolemoment. يعمل العلماء المشاركون في هذا التعاون على قياس عزم ثنائي القطب الكهربائي للجسيمات المشحونة منذ عام 2011.
"المادة المظلمة غير مرئية ولم تظهر حتى الآن إلا بشكل غير مباشر من خلال جاذبيتها. تأثيرها صغير نسبيًا، ولهذا السبب فقط في الحالات الضخمة للغاية - مثل المجرات بأكملها - تصبح المادة المظلمة واضحة بالفعل."
اقترح علماء الفيزياء النظرية عددًا من الجسيمات الأولية الافتراضية التي قد تتكون منها المادة المظلمة. اعتمادًا على خصائص هذه الجسيمات، يمكن استخدام طرق مختلفة للكشف عنها، وهي طرق لا تتطلب اكتشافًا معقدًا للغاية لتأثيرات الجاذبية. وتشمل هذه الطرق المحاور والجسيمات الشبيهة بالأكسيونات.
في تجاربهم، استفاد علماء JEDI من الميزة الخاصة لمسرع الجسيمات Jülich COSY: استخدام الحزم المستقطبة. مصدر الصورة: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
يوضح بريتز: "تم تطوير الأكسيونات في الأصل لحل مشكلة في نظرية التفاعل القوي للديناميكا اللونية الكمومية". "يعود اسم أكسيون إلى فرانك ويلتشيك الحائز على جائزة نوبل ويشير إلى نوع من المنظفات: الجسيم موجود "لتنظيف" نظرية الفيزياء، إذا جاز التعبير."
للكشف عن المحاور، استغل العلماء في تعاون JEDI دوران الجسيم. "إن الدوران هو خاصية فريدة من نوعها في ميكانيكا الكم التي تجعل الجسيمات تتصرف مثل المغناطيس الصغير،" يشرح هجني. "على سبيل المثال، يستفيد التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) في التصوير الطبي من هذه الخاصية. وكجزء من هذه العملية، يتم تحفيز دوران النوى الذرية بواسطة مجالات مغناطيسية خارجية قوية."
كما تم استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي للبحث عن المادة المظلمة. في التصوير بالرنين المغناطيسي العادي، تكون الذرات في حالة سكون، بينما في المسرع تتحرك الجسيمات بسرعة الضوء تقريبًا. وهذا يجعل عمليات التفتيش في مناطق معينة أكثر حساسية والقياسات أكثر دقة.
في تجاربهم، استفاد علماء JEDI من الميزة الخاصة لمسرع الجسيمات Jülich COSY، وهي استخدام الحزم المستقطبة. وقال بريتز: "في شعاع الجسيمات التقليدي، يكون اتجاه دوران الجسيمات عشوائيًا". "في شعاع الجسيمات المستقطبة، يتم محاذاة السبينات في اتجاه واحد." فقط عدد قليل من المسرعات في العالم لديه هذه القدرة. "
إذا كان هناك، كما يشتبه العلماء، مجال خلفي من المحاور حولنا، فإن هذا سيؤثر على حركة السبينات - وبالتالي قد يتم اكتشافه في نهاية المطاف في التجارب. ومع ذلك، فإن التأثير المتوقع هو الحد الأدنى. القياسات ليست دقيقة بما فيه الكفاية. ولكن في حين أن تجربة JEDI لم تعثر بعد على دليل على وجود جسيمات المادة المظلمة، فقد تمكن الباحثون من تضييق نطاق تأثيرات التفاعل المحتملة بشكل أكبر. وربما الأهم من ذلك أنهم تمكنوا من تأسيس نهج جديد وواعد في البحث عن المادة المظلمة.