يكتشف الفيزيائيون تفاعلات الجسيمات غير المبررة أثناء البحث عن المادة المظلمة

أجهزة كشف الضوء XENON1T. (تعاون زينون)

في أعماق جبال غران ساسو في إيطاليا ، الأكثر حساسية في العالم المادة المظلمة جعلت التجربة اكتشافًا مفاجئًا. لا ، إنها ليست مادة مظلمة. بدلاً من ذلك ، اكتشفت التجربة أحداث تفاعل جسيمية أكثر بكثير مما توقعه النموذج القياسي فيزياء الجسيمات.

بدلاً من 232 ± 15 حدثًا منخفض الطاقة متوقعًا في بيانات لمدة عام ، من فبراير 2017 إلى فبراير 2018 ، اكتشفت XENON1T Dark Matter Experiment 285 - وهو رقم ضخم يزيد بمقدار 53 عن التوقعات ، وخارج هامش الخطأ.

المثير للإعجاب أن الفريق الدولي الكبير من الفيزيائيين المشاركين في التعاون لا يعرف سبب الزيادة ، على الرغم من أنهم يعملون على النتائج منذ عام 2018.

بعد دراسة متأنية ، قاموا بتلخيص خياراتهم في ثلاثة احتمالات: واحد عادي إلى حد ما ... واثنان آخران سيكون لهما تأثير كبير على فهمنا للفيزياء الأساسية.

قدم الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في ندوة عبر الإنترنت في 17 يونيو ، وقد أعدت ورقة قيد الطباعة مسبقًا حاليًا استعراض النظراء .

'نلاحظ فائضًا أكبر من ثلاث سيجما ، ولا نعرف ما هو' قال الفيزيائي إيفان شوكلي من جامعة شيكاغو.

XENON1T عبارة عن خزان مملوء بـ 3.2 طن متري من زينون سائل فائق النقاء ، ومزود بمصفوفات من الأنابيب المضاعفة الضوئية. إنه مغلق تمامًا ومظلمة تمامًا ، من أجل اكتشاف التلألؤ والتألق الكهربائي الناتج عن تفاعل جسيمين مع بعضهما البعض ، مما ينتج ومضات صغيرة من الضوء وابل صغير من الإلكترونات المنبعثة من ذرة الزينون - ما يعرف باسم ارتداد الإلكترون.

نظرًا لأن معظم هذه التفاعلات تحدث من جسيمات معروفة ، فمن السهل نسبيًا تقدير عدد أحداث الخلفية التي يجب أن تحدث. هذه هي الطريقة التي تم بها اشتقاق الرقم 232 لأحداث ارتداد الإلكترون منخفضة الطاقة.

لذلك ، 'من أين الأحداث الإضافية الـ 53' هو السؤال الكبير.

السيناريوهات الأولى ، والأكثر اعتدالًا ، من بين السيناريوهات الثلاثة التي كان من الممكن أن تنتج تفاعلات جسيمات إضافية ، هي مصدر لم يُنظر إليه من قبل لأحداث الخلفية ، والتي نتجت عن كميات صغيرة جدًا من نظير مشع نادر للهيدروجين يُدعى التريتيوم.

لاحظ الباحثون أنه يمكن إدخال التريتيوم في الكاشف من خلال التنشيط الكوني للزينون والهيدروجين في مواد الكاشف نفسها. لن يستغرق الأمر سوى كمية دقيقة من التريتيوم - فقط بضع ذرات لكل 1025ذرات الزينون ، طريقة صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها. كانت محاولات الكشف عن التريتيوم بوسائل أخرى غير مثمرة ، لذلك لا يمكن تأكيد فرضية التريتيوم أو استبعادها.

الاحتمال الثاني الأكثر إثارة للاهتمام هو أن الإشارة قد تكون ناتجة عن النيوترينوات . تشبه هذه الجسيمات الإلكترونات ولكنها تكاد لا تمتلك أي كتلة ولا شحنة ، وتتفاعل مع الجسيمات الأخرى بشكل غير منتظم. هذا أيضًا ، لأن النيوترينوات هي الجسيمات الأكثر وفرة في الكون.

وفقًا لحسابات الفريق ، يمكن أن تكون النيوترينوات مسؤولة عن الإشارة الزائدة إذا كانت أقوى لحظة جاذبة - أي القوة المغناطيسية والتوجيه - مما كنا نظن. إذا كانت هذه النيوترينوات ذات العزم المغناطيسي الأقوى هي المسؤولة عن الإشارة ، فربما نحتاج إلى فيزياء جديدة لشرح كيف يمكن أن توجد.

المشكلة الكبرى في هذا السيناريو هي أن هذه النيوترينوات يتم إنتاجها في النوى النجمية ( من بين أماكن أخرى ) ، وسيتم إنتاجها بأعداد أكبر في النجوم شديدة الحرارة ، مثل الأقزام البيضاء ، والتي تستخرج منها الطاقة ، مما يقلل من حرارة النجم. لا يزال يتعين علينا ملاحظة فقدان الحرارة هذا بما يتفق مع استخراج الطاقة من النيوترينوات ذات اللحظات المغناطيسية القوية. هذا يخلق ما يسميه الباحثون 'توترًا قويًا' مع نتائجهم الخاصة.

السيناريو الثالث هو نوع من الجسيمات الافتراضية يسمى المحور الشمسي. هذا هو الأنسب للبيانات ، بمستوى ثقة 3.5 سيغما - أي احتمال 2 من 10000 أن تكون الإشارة تقلبًا عشوائيًا. (السيناريوهان الآخران لهما مستوى ثقة يبلغ 3.2 سيجما).

سيكون هذا في الواقع تسربت ، منذ ذلك الحين لم نكتشف محاور من أي نوع. الأكسيونات هي نوع من الجسيمات افترضت في السبعينيات لحل مسألة لماذا تتبع القوى الذرية القوية شيئًا يسمى تناظر تكافؤ الشحنة ، عندما تقول معظم العارضات إنهم لا يحتاجون إلى ذلك.

محاور كتلة معينة هي أمرشح قوي للمادة المظلمة. المحاور الشمسية ، التي تتدفق افتراضيًا من الشمس ، ليست هي نفسها المحاور المرشحة للمادة المظلمة ، ولكنها ستكون إشارة قوية لوجودها - إذا كانت المحاور الشمسية موجودة ، فيجب أن توجد أيضًا محاور أخرى.

مشكلة هذا السيناريو مشابهة جدًا لمشكلة النيوترينوات. إذا كانت الشمس قادرة على إنتاج الأكسيونات ، فيجب على كل النجوم كذلك ؛ ومرة أخرى ، فقدان الحرارة الملحوظ في أماكن النجوم شديدة الحرارة حدود صارمة على تفاعلات الأكسيون مع الجسيمات دون الذرية .

لذا ، فقد تركنا مع مخلل مخلل ، وواحد سيكون قابلاً للحل فقط - لقد خمنت - المزيد من التجارب. نظرًا لأن XENON1T تقوم بالترقية إلى مرحلتها التالية ، XENONnT ، علينا فقط التمسك بقبعاتنا في الوقت الحالي.

يمكن استكشاف الإشارات التي تمت مناقشتها هنا بشكل أكبر في أجهزة الكشف من الجيل التالي ، كتب الباحثون في ورقتهم .

XENONnT ، الذي يتميز بكتلة مستهدفة تبلغ 5.9 طن وعامل انخفاض ∼6 في خلفية ER ، سيمكننا من دراسة الفائض بمزيد من التفصيل إذا استمر. تشير الدراسات الأولية المستندة إلى أفضل النتائج المناسبة لهذا العمل إلى أنه يمكن تمييز إشارة أكسيون شمسية عن خلفية التريتيوم عند مستوى 5 بعد بضعة أشهر فقط من البيانات من XENONnT.

تم طباعة ورق ما قبل الطباعة تم الرفع إلى موقع XENON1T .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.