لأول مرة في العالم ، يقوم الفيزيائيون بتضييق الكتلة المحتملة للمادة المظلمة

قد لا نعرف ماذا المادة المظلمة هو ، لكن العلماء الآن لديهم فكرة أفضل عما يبحثون عنه.

بناءً على الجاذبية الكمومية ، وضع الفيزيائيون حدودًا جديدة أكثر صرامة للكتلة العلوية والسفلية لجسيمات المادة المظلمة. ووجدوا أن نطاق الكتلة أضيق بكثير مما كان يعتقد سابقًا.

هذا يعني أنه من غير المحتمل أن تكون المادة المظلمة المرشحة إما خفيفة أو ثقيلة للغاية هي الإجابة ، بناءً على فهمنا الحالي للكون.

“هذه هي المرة الأولى التي يفكر فيها أي شخص في استخدام ما نعرفه عن الجاذبية الكمومية كطريقة لحساب نطاق الكتلة للمادة المظلمة. لقد فوجئنا عندما أدركنا أن أحداً لم يفعل ذلك من قبل – كما فعل العلماء الزملاء ورقتنا ، ” قال الفيزيائي والفلكي كزافييه كالميت من جامعة ساسكس في المملكة المتحدة.

“يُظهر ما فعلناه أن المادة المظلمة لا يمكن أن تكون إما” فائقة الخفة “أو” ثقيلة جدًا “كما يقول البعض – ما لم تكن هناك قوة إضافية غير معروفة حتى الآن تعمل عليها. هذا البحث يساعد علماء الفيزياء في اثنين الطرق: يركز على منطقة البحث عن المادة المظلمة ، ومن المحتمل أن يساعد أيضًا في الكشف عما إذا كانت هناك قوة إضافية غامضة ومجهولة في الكون أم لا. “

المادة المظلمة هي بلا شك واحدة من أكبر ألغاز الكون كما نعرفها. إنه الاسم الذي نطلقه على كتلة غامضة مسؤولة عن تأثيرات الجاذبية التي لا يمكن تفسيرها بالأشياء التي يمكننا اكتشافها بوسائل أخرى – المادة الطبيعية مثل النجوم والغبار والمجرات.

على سبيل المثال ، تدور المجرات أسرع بكثير مما ينبغي إذا كانت تتأثر جاذبيتها بالمادة الطبيعية فيها ؛ العدسة التثاقلية – انحناء الزمكان حول الأجسام الضخمة – أقوى بكثير مما ينبغي أن يكون. كل ما يخلق هذه الجاذبية الإضافية يتجاوز قدرتنا على الكشف المباشر.

نحن نعرفه فقط من خلال تأثير الجاذبية على الأجسام الأخرى. بناءً على هذا التأثير ، نعلم أن هناك الكثير منه. بقسوة 80 في المئة كل مادة في الكون هي مادة مظلمة. إنها تسمى المادة المظلمة لأنها مظلمة. وكذلك غامضة.

ومع ذلك ، فإننا نعلم بالفعل أن المادة المظلمة تتفاعل مع الجاذبية ، لذلك تحول كالميت وزميله ، الفيزيائي وعالم الفلك فولكرت كويبرز من جامعة ساسكس ، إلى صفات الجاذبية الكمومية لمحاولة تقدير مدى الكتلة لجسيم المادة المظلمة الافتراضي ( مهما كان).

يشرحون أن الجاذبية الكمية تضع عددًا من القيود على إمكانية وجود جسيمات المادة المظلمة ذات الكتل المختلفة. بينما ليس لدينا نظرية عمل لائقة توحد النسبية العامةوصف الجاذبية الانحناء للفضاء مع الكتلة المنفصلة لفيزياء الكم ، نعلم أن أي دمج بينهما سيعكس أساسيات معينة لكليهما. على هذا النحو ، يجب على جسيمات المادة المظلمة أن تمتثل لقواعد الجاذبية الكمومية حول كيفية تكسير الجسيمات أو تفاعلها.

من خلال المحاسبة الدقيقة لكل هذه الحدود ، تمكنوا من استبعاد نطاقات الكتلة التي من غير المحتمل أن توجد في ظل فهمنا الحالي للفيزياء.

بناءً على افتراض أن الجاذبية فقط هي التي يمكنها التفاعل مع المادة المظلمة ، فقد قرروا أن كتلة الجسيم يجب أن تنخفض بين 10^-3 الكترونفولت و 10⁷ إلكترون فولت ، اعتمادًا على دوران الجسيمات وطبيعة تفاعلات المادة المظلمة.

هذا أصغر بجنون من الـ 10^-24 electronvolt إلى 10¹⁹ قال الباحثون إن نطاق جيجا إلكترون فولت يُنسب تقليديًا. وهذا أمر مهم ، لأنه يستبعد إلى حد كبير بعض المرشحين ، مثل WIMPs (الجزيئات الضخمة ضعيفة التفاعل).

إذا تبين لاحقًا أن هؤلاء المرشحين هم الجاني وراء لغز المادة المظلمة ، وفقًا لكالميت وكويبرز ، فهذا يعني أنهم قد تأثروا ببعض القوة التي لا نعرف عنها بعد.

سيكون هذا رائعًا حقًا ، لأنه يشير إلى فيزياء جديدة – أداة جديدة لتحليل وفهم كوننا.

وفوق كل شيء ، توفر قيود الفريق إطارًا جديدًا يجب مراعاته في البحث عن المادة المظلمة ، مما يساعد على تضييق نطاق البحث عن مكان وكيفية البحث.

“كطالب دكتوراه ، من الرائع أن تكون قادرًا على العمل في بحث مثير ومؤثر مثل هذا ،” قال كويبرس. “النتائج التي توصلنا إليها هي أخبار جيدة جدًا للتجربة لأنها ستساعدهم على الاقتراب أكثر من اكتشاف الطبيعة الحقيقية للمادة المظلمة.”

تم نشر البحث في رسائل الفيزياء ب.