منذ الستينيات ، افترض العلماء أن الكون مليء بكتلة غامضة وغير مرئية. تُعرف هذه الكتلة ، المعروفة باسم "المادة المظلمة" ، بحوالي 85٪ من المادة في الكون وربع كثافة طاقتها. في حين تمت ملاحظة ودراسة هذه الكتلة بشكل غير مباشر ، فشلت حتى الآن جميع محاولات تحديد طبيعتها الحقيقية.
لمعالجة ذلك ، يتم تنفيذ تجارب متعددة تعتمد على أدوات معقدة للغاية. لاحظ أحد هؤلاء ، يسمى XENON ، مؤخرًا عملية تجنبت في السابق محاولات متعددة للكشف. يمكن لهذه النتائج أن تساعد العلماء على تحسين فهمهم للنيوتريونات ، والتي يعتقد بعض العلماء أنها تتكون من المادة المظلمة.
ظهرت النتائج (XENON1T) كجزء من دراسة تم نشرها مؤخرًا في المجلة طبيعة. XENON هو مشروع تجريبي مشترك يضم حوالي 160 عالمًا من أوروبا والولايات المتحدة والشرق الأوسط. ويقودها حاليًا البروفيسور إيلينا أبريل من جامعة كولومبيا ويديرها مختبر جران ساسو الوطني (LNGS) في إيطاليا.
مثل تجارب المادة المظلمة الأخرى ، فإنه يهدف إلى الكشف عن جسيمات المادة المظلمة المرشحة المعروفة باسم الجسيمات الضخمة التي تتفاعل بشكل ضعيف (WIMPS). لهذا الغرض ، يقع المرفق عميقًا تحت الأرض لتجنب التداخل من مصادر النيوترينو الأخرى (والتي تشمل النيوترينوات الشمسية التي يتم إنشاؤها بانتظام بواسطة الشمس والنيوترينات الكونية).
في حالة تجربة XENON ، يتضمن هذا مراقبة غرفة مليئة بسائل Xenon-124 لعلامات تفاعلات الجسيمات. ستوفر هذه العلامات أول دليل تجريبي مباشر على الإطلاق لجسيمات مرشح المادة المظلمة. وعلى الرغم من أن مجموعتهم الأولى من النتائج لم تؤكد وجود المادة المظلمة ، إلا أنها لاحظت تحلل نوى Xenon-124 الذرية لأول مرة.
لعدد من الأسباب ، كان هذا إنجازًا هائلاً. بصرف النظر عن كونها الأولى تاريخية ، فإن نصف العمر المقاس لـ Xenon-124 أطول بنحو تريليون مرة من عمر الكون نفسه (13.8 مليار سنة). وهذا يجعل الانحلال الإشعاعي الذي لاحظوه - ما يسمى التقاط الإلكترون المزدوج لزينون 124 - أندر عملية لوحظت في الكاشف.
كما شرح البروفيسور كريستيان واينهايمر - من جامعة مونستر ، الذي قاد مجموعته الدراسة - في بيان صحفي لـ XENON:
"حقيقة أننا تمكنا من مراقبة هذه العملية توضح بشكل مباشر مدى قوة طريقة الكشف في الواقع - أيضًا للإشارات التي ليست من المادة المظلمة."
لكسر هذه العملية ، تتكون ذرة Xenon-124 من 54 بروتون و 70 نيوترونًا محاطة بقذائف ذرية مع 54 إلكترونًا. في العملية المعروفة باسم التقاط الإلكترون المزدوج ، يقوم بروتونان في النواة "بالتقاط" إلكترونين في نفس الوقت من القشرة الداخلية ، وتحويلهما إلى نيوترونين وبصق اثنين من النيوترينوات.
ثم تعيد الإلكترونات الأخرى تنظيم نفسها لملء الفجوة التي تنشأ في الغلاف الداخلي بينما يتم إطلاق الطاقة في شكل أشعة سينية وما يسمى "إلكترونات أوجيه". ومع ذلك ، من الصعب جدًا اكتشاف هذه الإشارات نظرًا لأن العملية نادرة جدًا وتخفيها النشاط الإشعاعي الطبيعي. ومع ذلك ، تمكن تعاون XENON من القيام بذلك فقط بفضل ملاحظات لمدة عام باستخدام أجهزتهم.
أنتجت الأشعة السينية المنبعثة نتيجة لالتقاط الإلكترون المزدوج إشارة ضوئية في الزينون السائل وكذلك الإلكترونات الحرة. ثم انتقلت هذه الإلكترونات نحو الجزء العلوي المليء بالغاز من الكاشف حيث أنتجت إشارة ضوئية ثانية ، وكان الفارق الزمني بين الاثنين يتطابق مع الوقت الذي تستغرقه الإلكترونات للوصول إلى أعلى الكاشف.
استخدم الفريق العلمي هذا الفاصل الزمني وأجهزة استشعار الغرفة لإعادة بناء موضع التقاط الإلكترون المزدوج بينما تم استخدام قوة الإشارة لقياس مقدار الطاقة التي تم إطلاقها. هذا زود العلماء بالوسائل لتحديد نصف عمر الزينون الطويل بشكل لا يصدق ، والذي حسبوه إلى 1.8 × 10²² سنوات.
توضح هذه النتائج بفاعلية قدرة كاشفات XENON على اكتشاف العمليات النادرة أثناء رفض إشارات الخلفية. يمكن أن تسمح النتائج الجديدة أيضًا بإجراء مزيد من الفحوصات حول النيوترينوات ، وهي الأخف وزناً من جميع الجسيمات الأولية ولا تزال غير مفهومة بالكامل. وتشمل هذه كتلة النيوترينو ، التي لم يتم تقييدها بشكل جيد بعد.
كمسيحي
"إنه يثبت أن تقنية كاشف XENON التي نستخدمها للمادة المظلمة أكثر تنوعًا. نحصل على كل هذه التحليلات الرائعة ... مجانًا بعد إنشاء تجربة حساسة بما يكفي للبحث عن المادة المظلمة ".
جمعت عملية مراقبة XENON1T البيانات بين 2016 حتى ديسمبر 2018 ، وعندها تم إيقافها لإجراء ترقيات. بمجرد الانتهاء من ذلك ، سيبدأ الفريق العلمي في إجراء المرحلة التالية من الملاحظات. ستعرف هذه المرحلة ، المعروفة باسم "XENONnT" ، بكتلة نشطة من أجهزة الكشف أكبر بثلاث مرات من التجربة الأولى.
جنبا إلى جنب مع ترقيات مصممة للحد من تداخل الخلفية ، سيكون للكشف مستوى حساسية عدة أوامر من حجم أعلى. عند هذه النقطة ، يمكننا أن نتوقع أن التجربة ستسلط ضوءًا أكثر إشراقًا على المناطق المظلمة من الكون.
