المادة المظلمة لا يزال أحد أعظم الألغاز في العلم. على الرغم من عقود من الأدلة الفلكية على وجودها ، لم يتمكن أحد حتى الآن من العثور على أي علامة عليها بالقرب من المنزل. لقد بُذلت العشرات من الجهود للقيام بذلك ، وكان من أبرزها للتو إنجازًا بارزًا - إصدار 8 سنوات من البيانات وتحليلها. ال مرصد آيس كيوب نيوترينو سيصدر قريبًا نتائج تلك السنوات الثماني ، ولكن دعونا الآن نتعمق في ما يبحثون عنه بالضبط.
تكثر النظريات حول ماهية المادة المظلمة في الواقع ، ويركز العديد منها على فكرة المادة المظلمة كنوع من الجسيمات. الأبرز من هؤلاء هو الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMP) . تعد الفيزياء الكامنة وراء WIMP أحد المحركات الأساسية لتجربة IceCube.
فيديو يصف كيفية عمل IceCube.
الائتمان - قناة IceCube Neutrino Observatory على YouTube
قد يبدو كاشف النيوترينو طريقة غريبة للبحث عن WIMPs ، لكن الفيزياء الكامنة وراءه مفهومة جيدًا. عند السفر عبر كتل كبيرة من مادة 'النموذج القياسي' (أي ما نعتقد أنه جسيمات 'عادية') ، يمكن أن يفقد WIMPS الطاقة ويصبح في النهاية مرتبطًا جاذبيًا بالجسم الذي يسافر من خلاله. سيكون هذا هو الحال مع الكواكب أو مع الشمس. لذلك يمكن أن يحتوي مركز الأرض على كتلة كبيرة غير مرئية من الجسيمات ضعيفة التفاعل.
سيكون من المستحيل الكشف المباشر عن أي مجموعة من WIMPS. ومع ذلك ، يمكن للعلماء رؤية علامات منبهة عن طريق قياس جسيم وكيل - النيوترينوات . النيوترينوات ، التي تشتهر بصعوبة اكتشافها ، تنتج عن بعض النظريات التي تدمر فيها WIMPs نفسها من خلال التفاعل مع جسيم قياسي. نظرًا لصعوبة تحديدها ، فمن شبه المؤكد أن النيوترينوات التي ستنتج عن هذه العملية في أي كتلة من WIMPs في مركز الأرض ستكون قادرة على عبور كتلة الأرض وخارجها إلى الفضاء.
فيديو إسحاق آرثر يناقش الخصائص (المعروفة) للمادة المظلمة.
الائتمان - قناة إسحاق آرثر على يوتيوب
لكن على طول الطريق ، قد يتم التقاطهم بواسطة كاشف نيوترينو ، مثل IceCube. مقرها الجغرافي القطب الجنوبي ، يتكون IceCube من 86 سلسلة من الوحدات البصرية الرقمية تحتوي على 5160 مستشعرًا ضوئيًا فرديًا يكتشف نوعًا من الضوء الذي تم إنشاؤه بواسطة إشعاع Cherenkov عندما يتفاعل أي نيوترينو مع جسيم آخر. من خلال تثليث سطوع وطول عمر نبضة الضوء ، يمكن للعلماء بعد ذلك التراجع عن السرعة والاتجاه الذي كان يسير فيه النيوترينو.
نظرًا للطبيعة الصعبة للمعدات والجسيمات التي تهمها ، يعد تقليل الضوضاء مكونًا رئيسيًا في IceCube. يتم تنفيذ جزء من هذه الإستراتيجية عن طريق العزلة - ليس فقط مجموعة الكشف القائمة في واحدة من أكثر المناطق المعزولة على الأرض ، بل أيضًا مدفونة تحت 1450 مترًا من الجليد وتمتد على عمق كيلومتر واحد تقريبًا.
النظر إلى أسفل أحد ثقوب كاشف IceCube.
الائتمان: IceCube Collaboration / NSF
يعتمد الجزء الآخر من هذه الإستراتيجية على عمليات المحاكاة ، خاصة لتقدير ضوضاء الخلفية والقضاء عليها. يستخدم فريق البحث IceCube ، الذي يتكون من علماء من جميع أنحاء العالم ، محاكاة ضوضاء الخلفية في محاولة للقضاء على الاكتشافات الخاطئة. بالإضافة إلى ذلك ، فهم قادرون على التخلص من بعض مصادر النيوترينوات غير المرتبطة بـ WIMPs ، مثل عندما يكتشف النظام نيوترينوًا ينتقل نحو قلب الأرض بدلاً من الابتعاد عنه. على الأرجح أن هذه الأنواع من النيوترينوات ناتجة عن 'نيوترينوات الغلاف الجوي' التي تتشكل عندما تضرب الأشعة الكونية الغلاف الجوي للأرض.
كل هذا الجهد موجه نحو مهمة واحدة بسيطة نسبيًا - محاولة معرفة ماهية WIMPs بالضبط. في لغة فيزياء الجسيمات ، هذا يعني محاولة وضع قيود على 'كتلتها'. كما هو الحال مع العديد من الأشياء في فيزياء الجسيمات ، يتم قياسها بشكل مختلف قليلاً عن مجرد وضع شيء ما على مقياس. بقياس 'إلكترون فولت' ، نظر الباحثون في الكتل المحتملة بين 10GeV (جيجا إلكترون فولت) إلى 10 TeV (تيرا إلكترون فولت). تتضمن هذه النطاقات الكتل التي تعتبر من حيث الحجم 'أثقل' من الجسيمات دون الذرية المعروفة الأخرى ، مثل Higgs Boson (125 GeV) أو الإلكترون (.511 MeV).
رسم فني لإعداد مرصد IceCube.
الائتمان - IceCube Collaboration / NSF
من الخصائص الأخرى لل WIMPs التي حاول البحث تضييقها هي 'معدل الإبادة' ، أي عدد المرات التي تدمر فيها WIMP نفسها بالفعل وتخلق نيوترينوًا يمكن لـ IceCube اكتشافه بعد ذلك. باستخدام بعض التحليلات الإحصائية المتقدمة ، توصل الباحثون إلى احتمالية إحصائية لنطاقات مختلفة من احتمالية الفناء أيضًا.
حتى مع كل العمل المنجز حتى الآن ، لم يتم تحليل النتائج النهائية بالكامل حتى الآن. إذن ما يمكن أن تعنيه كل هذه النتائج للبحث عن WIMPs لا يزال سؤالًا مفتوحًا. يتوقع فريق IceCube أن يتم 'إصدار النتائج قريبًا'. والأكثر من ذلك - كانت البيانات التي تم تحليلها حاليًا من 2011 إلى 2018 فقط ، لذلك هناك ثلاث سنوات أخرى من البيانات التي لم يتم تضمينها في هذا التحليل بعد.
فريق IceCube يقف لالتقاط صورة أمام برج النشر بعد الانتهاء من كاشف النيوترينو IceCube في ديسمبر 2010. تصوير: تشاد كاربنتر / NSF
كل العمل المبذول لإثارة ماهية المادة المظلمة بالضبط يمكن أن يستحق كل هذا العناء. بعد كل شيء ، تظل واحدة من أكبر الظواهر غير المبررة في فيزياء الجسيمات. والطريقة الوحيدة التي سيتمكن العلماء من فهمها بشكل كامل هي من خلال جمع البيانات في أدوات مثل IceCube لسنوات وسنوات قادمة.
يتعلم أكثر:
arXiv - ابحث عن المادة المظلمة من مركز الأرض باستخدام 8 سنوات من بيانات IceCube
جامعة ويسكونسن - مرصد آيس كيوب نيوترينو
يوتا - لا توقف الأرض النيوترينو العرضي
يوتا - يمكن أن يساعد اكتشاف النيوترينو في رسم صورة جديدة تمامًا للكون
الصورة الرئيسية:
صورة للمبنى الموجود على سطح القطب الجنوبي الذي يضم مرصد IceCube Neutrino.
الائتمان - مرصد آيس كيوب نيوترينو
