ما هي المادة المظلمة؟

خريطة لكل المواد - معظمها مادة مظلمة غير مرئية - بين الأرض وحافة الكون المرئي. الصورة عبر ESA / NASA / JPL-Caltech.

بقلم دان هوبر ، جامعة شيكاغو

شهدت العقود القليلة الماضية بداية حقبة مذهلة في علم الكونيات. سمحت لنا مجموعة متنوعة من القياسات عالية الدقة بإعادة بناء تاريخ عالمنا بتفاصيل رائعة.

وعندما نقارن القياسات المختلفة - لمعدل تمدد الكون ، وأنماط الضوء المنبعثة في تكوين الذرات الأولى ، والتوزيعات في فضاء المجرات وتجمعات المجرات ووفرة أنواع كيميائية مختلفة - نجد أنها جميعًا يحكي نفس القصة ، ويدعم الجميع نفس سلسلة الأحداث.

كان هذا الخط من البحث ، بصراحة ، أكثر نجاحًا مما أعتقد أنه كان لدينا أي حق في أن نأمل. نحن نعرف أكثر عن أصل وتاريخ كوننا اليوم أكثر من أي شخص تقريبًا قبل عقود قليلة خمنت أننا سنتعلم في مثل هذا الوقت القصير.

ولكن على الرغم من هذه النجاحات الكبيرة ، لا يزال هناك الكثير مما يجب تعلمه. وفي بعض النواحي ، أثارت الاكتشافات التي تم التوصل إليها في العقود الأخيرة العديد من الأسئلة الجديدة التي تمت إجابتها.

واحد من أكثر الأمور المزعجة يقع في صميم ما يتكون منه كوننا بالفعل. حددت الأرصاد الكونية متوسط ​​كثافة المادة في عالمنا بدقة عالية للغاية. ولكن تبين أن هذه الكثافة أكبر بكثير مما يمكن حسابه مع الذرات العادية.

بعد عقود من القياسات والنقاش ، نحن على ثقة الآن من أن الغالبية العظمى من مادة كوننا - حوالي 84 في المائة - لا تتكون من ذرات أو أي مادة أخرى معروفة. على الرغم من أننا يمكن أن نشعر بالسحب الجاذبي لهذه المسألة الأخرى ، ونقول بوضوح أنها موجودة ، نحن ببساطة لا نعرف ما هي. هذه الأشياء الغامضة غير مرئية ، أو على الأقل تقريبًا. لعدم وجود اسم أفضل ، نحن نسميها "المادة المظلمة". لكن تسمية شيء ما يختلف اختلافًا كبيرًا عن فهمه.

يرسم علماء الفلك المادة المظلمة بشكل غير مباشر ، عبر جاذبيتها على أشياء أخرى. الصورة عبر وكالة ناسا وإيسا ود. كو (ناسا JPL / Caltech و STScI).

لطالما عرفنا أن المادة المظلمة موجودة ، كان الفيزيائيون وعلماء الفلك يبتكرون طرقًا لمحاولة معرفة ما هو مصنوع منها. لقد بنوا كاشفات حساسة للغاية ، منتشرة في مناجم عميقة تحت الأرض ، في محاولة لقياس التأثيرات اللطيفة لجزيئات المادة المظلمة الفردية التي تصطدم بالذرات.

لقد قاموا ببناء تلسكوبات غريبة - ليست حساسة للضوء البصري ولكن لأشعة جاما الأقل شيوعًا والأشعة الكونية والنيوتريونات - للبحث عن الإشعاعات عالية الطاقة التي يُعتقد أنها تتولد من تفاعلات جسيمات المادة المظلمة.

لقد بحثنا عن علامات المادة المظلمة باستخدام آلات لا تصدق تسارع حزم الجسيمات - عادةً البروتونات أو الإلكترونات - حتى أعلى سرعات ممكنة ، ثم تحطيمها في بعضها البعض في محاولة لتحويل طاقتها إلى مادة. والفكرة هي أن هذه التصادمات يمكن أن تخلق مواد جديدة وغريبة ، ربما بما في ذلك أنواع الجزيئات التي تشكل المادة المظلمة لكوننا.

منذ عقد من الزمان ، كان معظم علماء الكون - بمن فيهم أنا - واثقين إلى حد معقول بأننا سنبدأ قريبًا في حل لغز المادة المظلمة. بعد كل شيء ، كان هناك برنامج تجريبي طموح في الأفق ، والتي توقعنا من شأنها أن تمكننا من تحديد طبيعة هذه المادة والبدء في قياس خصائصه. تضمن هذا البرنامج أقوى مسرع للجسيمات في العالم - مصادم هادرون الكبير - بالإضافة إلى مجموعة من التجارب الجديدة الأخرى والتلسكوبات القوية.

تحاول التجارب في CERN التركيز على المادة المظلمة - لكن حتى الآن لم يتم التركيز عليها. الصورة عبر CERN.

لكن الأمور لم تلعب بالطريقة التي توقعناها. على الرغم من أن هذه التجارب والملاحظات قد أجريت أو كانت أفضل مما كنا نأمل ، إلا أن الاكتشافات لم تأتي.

على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية ، على سبيل المثال ، أصبحت التجارب المصممة للكشف عن الجسيمات الفردية للمادة المظلمة أكثر حساسية مليون مرة ، ومع ذلك لم تظهر أي علامات على هذه الجسيمات المراوغة. على الرغم من أن Collider Hadider الكبير بكل المقاييس الفنية كان يؤديه بشكل جميل ، باستثناء boson higgs ، لم يتم اكتشاف أي جزيئات جديدة أو غيرها من الظواهر.

في Fermilab ، يستخدم Cryogenic Dark Matter Search أبراج الأقراص المصنوعة من السيليكون والجرمانيوم للبحث عن تفاعلات الجسيمات من المادة المظلمة. الصورة عبر ريدار هان / فيرميلاب.

تركت المراوغة العنيدة للمادة المظلمة العديد من العلماء مندهشين ومشورين. كان لدينا ما بدا وكأنه أسباب وجيهة للغاية لتوقع اكتشاف جزيئات المادة المظلمة حتى الآن. ومع ذلك تستمر المطاردة ويتعمق الغموض.

في نواح كثيرة ، لدينا الآن أسئلة أكثر انفتاحًا مما كان لدينا قبل عقد أو عقدين. وفي بعض الأحيان ، يمكن أن يبدو أننا كلما قاسنا بدقة الكون ، قل فهمنا له. طوال النصف الثاني من القرن العشرين ، كان علماء فيزياء الجسيمات النظرية غالبًا ما يكونون ناجحين جدًا في التنبؤ بأنواع الجزيئات التي سيتم اكتشافها مع زيادة سرعة المعجلات. لقد كانت جولة رائعة حقًا.

ولكن يبدو أن قدرتنا على الانتهاء ، فقد رفضت الجسيمات التي تم التنبؤ بها منذ زمن طويل والمرتبطة بنظرياتنا المفضلة والأكثر حماسة عن الظهور. ربما تكون اكتشافات مثل هذه الجسيمات قاب قوسين أو أدنى ، وسوف يتم استعادة ثقتنا قريبًا. لكن في الوقت الحالي ، يبدو أن هناك القليل من الدعم لمثل هذا التفاؤل.

رداً على ذلك ، تعود أعداد كبيرة من الفيزيائيين إلى السبورات الخاصة بهم ، حيث عاودوا النظر في افتراضاتهم ومراجعتها. مع الغرور الكدمات والتواضع أكثر قليلاً ، نحن نحاول جاهدين لإيجاد طريقة جديدة لفهم عالمنا.

دان هوبر ، عالم مشارك في الفيزياء الفلكية النظرية في مختبر مسرع فيرمي الوطني وأستاذ مشارك في علم الفلك والفيزياء الفلكية ، جامعة شيكاغو

نشرت هذه المقالة في الأصل على The Conversation. قراءة المقال الأصلي.