تلسكوب جسيمات فلكية للمادة المظلمة

توضح الصناديق كيف تنمو الخيوط والعناقيد المجرية الفائقة بمرور الوقت ، من مليارات السنين بعد الانفجار العظيم إلى الهياكل الحالية. الائتمان: تعديل العمل بواسطة CXC / MPE / V. سبرينجل

إن اكتشاف الأكسيون يمثل حلقة رئيسية في تاريخ العلم. يمكن لهذا الجسيم الافتراضي أن يحل مشكلتين أساسيتين للفيزياء الحديثة في نفس الوقت: مشكلة الشحنة والتكافؤ في التفاعل القوي ، ولغز المادة المظلمة. ومع ذلك ، على الرغم من الاهتمام العلمي الكبير بالعثور عليه ، فقد تم ترك البحث على ترددات لاسلكية عالية – أعلى من 6 جيجاهرتز – جانباً تقريبًا بسبب الافتقار إلى تقنية الحساسية العالية التي يمكن بناؤها بتكلفة معقولة. حتى الآن.

سيشارك Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) في تعاون دولي لتطوير DALI (الفوتونات المظلمة و أكسيون-مثل الجسيمات التداخل) تجربة تلسكوب جسيمات فلكية للمادة المظلمة هدفها العلمي هو البحث عن الأكسيونات والبارافوتونات في النطاق 6 إلى 60 جيجا هرتز. النموذج الأولي ، إثبات المفهوم ، هو حاليًا في مرحلة التصميم والتصنيع في IAC. ال ورق ابيض وصف التجربة تم قبوله للنشر في مجلة علم الكونيات والفيزياء الفلكية (JCAP).

تنبأت النظرية في السبعينيات بأن الأكسيون عبارة عن جسيم افتراضي منخفض الكتلة يتفاعل بشكل ضعيف مع الجسيمات القياسية مثل النيوكليونات والإلكترونات ، وكذلك مع الفوتونات. تمت دراسة هذه التفاعلات المقترحة لمحاولة الكشف عن المحاور بأنواع مختلفة من الأدوات. إحدى التقنيات الواعدة هي دراسة تفاعل الأكسيونات مع الفوتونات القياسية.

“تمتزج” المحاور مع الفوتونات تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي قوي ، مثل تلك التي تنتجها المغناطيسات فائقة التوصيل في كاشفات الجسيمات أو تلك المستخدمة في التشخيص الطبي بالرنين المغناطيسي ، وتنتج إشارة راديو أو ميكروويف ضعيفة. تم البحث عن هذه الإشارة في مجموعة متنوعة من التجارب منذ نهاية الثمانينيات ، وهي فقط الإشارة التي نريد اكتشافها الآن باستخدام DALI ، على الرغم من وجود مجموعة جديدة غير مكتشفة تقريبًا من المعلمات ، والتي ستكون متاحة لأول مرة الوقت بفضل هذه التجربة ، يشرح Javier De Miguel ، باحث IAC والمؤلف الأول للدراسة.

استخدمت كاشفات المحاور الأولى ، التي تم تصنيعها في الثمانينيات والتسعينيات ، تجويفًا رنينيًا ، داخل مغناطيس فائق ، يضخم إشارة الميكروويف الضعيفة المتوقعة من المحور ، في محاولة لإدخالها في نطاق قدرة يمكن اكتشافه بواسطة الأجهزة العلمية. لسوء الحظ ، يتناسب حجم التجويف عكسياً مع تردد المسح ، وبالنسبة إلى الأكسيون ، كانت التجاويف صغيرة جدًا بحيث لا يمكن تصنيعها لترددات أكبر من حوالي 6 جيجاهرتز.

لهذا السبب ، تجمع التجربة الجديدة بين أكثر التقنيات الواعدة للمسح على ترددات عالية ، وتضمينها في تصميم عملي يُضاف إليه أيضًا قدرة أجهزة الكشف عن الجسيمات الفلكية للمادة المظلمة المحورية. بهذه الطريقة ، يشتمل DALI على مغناطيس قوي فائق التوصيل ، وكاشف أكسيون مع مرنان جديد لجعل الإشارة الضعيفة التي تسببها المحاور قابلة للاكتشاف ، وحامل ألتازيموت للسماح له بمسح الأجسام والمناطق في السماء بحثًا عن المادة المظلمة.

بهذه الطريقة ، يمكن أن تساعد DALI في اكتشاف الأكسيون ، وهو جسيم زائف عددي تشبه طبيعته طبيعة بوزون هيغز ، الذي تم اكتشافه في عام 2012 في سيرن، ومرشح واعد للمادة المظلمة. المادة المظلمة هي مكون أساسي للكون يتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة العادية ، ومن ثم يصعب جدًا اكتشافه مباشرة ، ولكن اكتشافه سيسمح لنا بشرح منحنيات دوران المجرات الحلزونية ، ولماذا تكون البنية في المجرات الحلزونية. تطور الكون بالطريقة التي تطور بها حتى الآن ، من بين ألغاز أخرى.

المرجع: “تلسكوب المادة المظلمة الذي يفحص النطاق 6 إلى 60 جيجاهرتز” بقلم خافيير دي ميغيل ، 28 أبريل 2021 ، مجلة علم الكونيات والفيزياء الفلكية.
DOI: 10.1088 / 1475-7516 / 2021/04/075