فضولي بشأن المادة المظلمة؟ ثلاثة علماء يجيبون على أسئلتك

Enectali Figueroa-Feliciano

Enectali Figueroa-Feliciano

هاري نيلسون

هاري نيلسون

غراي ريبكا

غراي ريبكا

في 20 نوفمبر من الساعة 12 ظهرًا. حتى 12:30 مساءً PST (من الساعة 20:00 إلى الساعة 20:30 بالتوقيت العالمي المنسق) ، و Enectali Figueroa-Feliciano و Harry Nelson و Gray Rybka سوفأجب عن أسئلتكحول الجيل القادم من تجارب المادة المظلمة. أرسل أسئلتك قبل وأثناء البث الشبكي عبر البريد الإلكتروني info@kavlifoundation.org أو باستخدام الهاشتاج #KavliLive onتويترأو+ Google. في غضون ذلك ، استمتع بهذه المعلومات الأساسية حول المادة المظلمة - بناءً على مناقشة مائدة مستديرة مع هؤلاء العلماء - من إنتاج Kelen Tuttle و Kavli Foundation.

ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO- عضو في تعاون SuperCDMS وأستاذ مشارك للفيزياء في معهد MIT Kavli للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء.

هاري نيلسون- هو القائد العلمي لتجربة LUX-ZEPLIN وأستاذ الفيزياء بجامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا.

رمادي من السمك- يقود تجربة ADMX Gen 2 كمتحدث رسمي مشارك وأستاذ مساعد باحث في الفيزياء بجامعة واشنطن.



مؤسسة كافلي:ثلاث تجارب من الجيل التالي للمادة المظلمة - Axion Dark Matter eXperiment Gen 2 و LUX-ZEPLIN و Super Cryogenic Dark Matter Search في SNOLAB -حصلت على الضوء الأخضر للتمويل في يوليو 2014. سيكون كل منها على الأقل 10 مرات أكثر حساسية من أجهزة الكشف عن المادة المظلمة اليوم. نحن نعلم أن المادة المظلمة أكثر انتشارًا بخمس مرات من المادة العادية ، ونحن قادرون على استنتاج أن كتل المادة المظلمة تساعد في تجميع مجموعات المجرات معًا. لذا فإن هذه المادة هي جزء كبير مما يتكون منه كوننا وجزءًا مهمًا من سبب ظهور كوننا بالطريقة التي يبدو عليها. لماذا إذن لم نتمكن من مراقبته مباشرة؟ ما الذي يعيقنا؟

هاري نيلسون:يتمثل جزء كبير من التحدي في أن المادة المظلمة لا تتفاعل معنا كثيرًا. نحن نعلم أن المادة المظلمة تمر عبر مجرتنا طوال الوقت ، لكنها لا تعطل نوع المادة التي نتكون منها.

ولكن أكثر من ذلك ، لا تتفاعل المادة المظلمة مع نفسها كثيرًا أيضًا. المادة التي نراها من حولنا كل يوم تتفاعل مع نفسها: الذرات تشكل الجزيئات ، والجزيئات تشكل الأوساخ ، والأوساخ تشكل الكواكب. لكن هذا ليس هو الحال مع المادة المظلمة. المادة المظلمة منتشرة على نطاق واسع ، ولا تشكل أجسامًا كثيفة كما اعتدنا عليها. هذا ، جنبًا إلى جنب مع حقيقة أنه لا يتفاعل مع نوع المادة لدينا في كثير من الأحيان ، يجعل من الصعب اكتشافه.

ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO:ما يقوله هاري صحيح تمامًا. في رأيي ، الطبيعة خجولة. هناك شيء لا نفهمه حول البنية الداخلية لكيفية عمل الكون. عندما يكتب المنظرون جميع الطرق التي قد تتفاعل بها المادة المظلمة مع جسيماتنا ، فإنهم يجدون ، بالنسبة لأبسط النماذج ، أنه كان ينبغي علينا رؤيتها بالفعل. لذلك على الرغم من أننا لم نعثر عليها بعد ، هناك رسالة هناك ، رسالة نحاول فك تشفيرها الآن.

TKF:في الواقع ، الطبيعة خجولة لدرجة أننا لا نعرف حتى الآن كيف تبدو جزيئات المادة المظلمة. غراي ، تجربتك - ADMX - تبحث عن جسيم مختلف تمامًا عن الجسيم الذي يبحث عنه تالي وهاري. لماذا هذا؟

لعبة الأسماك:كما قلت ، فإن مشروعي - تجربة المادة المظلمة من أكسيون ، أو ADMX - يبحث عن نوع نظري من جسيمات المادة المظلمة تسمى الأكسيون ، وهي خفيفة الوزن للغاية بدون شحنة كهربائية ولا تدور. يبحث هاري وتالي عن نوع مختلف من المادة المظلمة يسمى WIMP ، للجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف ، والتي تصف عددًا من الجسيمات النظرية التي تتفاعل مع عالمنا بشكل ضعيف جدًا ونادرًا جدًا.

كلا من WIMP و axion هما حقًا مرشحان جيدان للمادة المظلمة. إنها رائعة بشكل خاص لأنها تشرح كلاً من المادة المظلمة وألغاز الفيزياء الأخرى في نفس الوقت. أعتقد أنني أحب الأكسيون لأنه لا يوجد الكثير من التجارب التي تبحث عنه. إذا كنت سأقوم بالمقامرة وقضيت الكثير من الوقت في إجراء تجربة للبحث عن شيء ما ، لا أريد البحث عن شيء يبحث عنه الآخرون.

لقد قمنا بتحديث تجربة ADMX منذ عام 2010 وأظهرنا أن لدينا الأدوات اللازمة لمعرفة المحاور إذا كانت موجودة. ADMX عبارة عن تجربة مسح ، حيث نقوم بمسح الكتل المختلفة التي يمكن أن يمتلكها هذا المحور ، واحدة تلو الأخرى. تعتمد سرعة المسح على مدى برودة التجربة. مع Gen2 ، نشتري ثلاجة قوية جدًا جدًا ستصل الشهر المقبل. بمجرد وصوله ، سنكون قادرين على الفحص بسرعة كبيرة جدًا ونشعر أنه سيكون لدينا فرصة أفضل للعثور على الأكسيونات - إذا كانت موجودة هناك.

TKF:وهاري ، لماذا تراهن على WIMP؟

نيلسون:على الرغم من أنني أراهن على WIMPs ، إلا أنني أحب الأكسيونات أيضًا. حتى أنني كتبت بعض الأوراق عن الأكسيونات في طريق العودة عندما. لكن في هذه الأيام ، كما قال جراي ، أبحث عن WIMPs. يعمل تعاوني حاليًا على تشغيل تجربة Xenon الكبيرة تحت الأرض ، أو LUX ، في بلاك هيلز الشهيرة في ساوث داكوتا ، داخل منجم كان ثمرة اندفاع الذهب عام 1876 الذي شكل مدينة Deadwood. في هذا الشهر ، نبدأ تشغيلنا لمدة 12 شهرًا مع LUX. نعمل الآن أيضًا على تطوير خططنا بعناية لترقية جهاز الكشف الخاص بنا لجعله أكثر حساسية بنسبة 100 مرة لمشروع LUX-ZEPLIN الجديد.

لكن لأقول لك الحقيقة ، لدي القليل من الموقف بأن كل هذه الاحتمالات غير مرجحة. أنا لا أقول إن البحث عنهم لا قيمة له. هذا ليس كل شيء على الإطلاق. كل ما في الأمر أن الطبيعة لا يجب أن تحترم ما يريده الفيزيائيون. نحن نرغب في فهم تفاعلنا القوي بشكل أفضل ، الآلية المسؤولة عن القوة النووية القوية التي تربط النواة الذرية معًا. سوف يساعد الأكسيون في القيام بذلك.

WIMP رائع لأنه يتوافق مع فيزياء الانفجار العظيم بطريقة مباشرة. يعتمد الكثير من العلوم على ما يسمىالحلاقة أوكام: نصنع أبسط افتراضات ممكنة ثم نختبرها جيدًا ، ونتخلى عن البساطة فقط إذا احتجنا إلى ذلك. لطالما شعرت أن WIMP أبسط قليلاً من الأكسيون. كلاهما غير محتمل ، لكنهما لا يزالان أفضل المرشحين الذين يمكننا التفكير فيهما. من المحتمل أن تكون المادة المظلمة مختلفة نوعًا ما عن WIMP أو Axion ، ولكن يجب أن نبدأ من مكان ما ، و WIMP و axion هما أفضل نقاط البداية التي يمكن أن نتخيلها.

TKF:إذا كنت تعتقد أنه من غير المحتمل أن يكون WIMP موجودًا ، فلماذا تبحث عنه؟

نيلسون:يمتلك كل من WIMP و axion أفضل الدوافع النظرية على الإطلاق. ولذا فمن الرائع أن يكون لكل من WIMPs و axions تجارب قوية حقًا تلاحقهم.

فيغويروا-فيليسيانو: بصفتي خبيرًا تجريبيًا ، أتيت إلى هذا من وجهة نظر مفادها أن المنظرين أذكياء جدًا ، وقد توصلوا إلى مجموعة مذهلة من السيناريوهات المحتملة لما يمكن أن تكون عليه المادة المظلمة. وكما قال هاري ، نحاول استخدامهاالحلاقة أوكاملمحاولة استبعاد أي من هذه الأشياء أكثر احتمالًا من غيرها. لكن هذه ليست طريقة معصومة عن الخطأ للقيام بذلك. قد لا تتبع المادة المظلمة أبسط تفسير ممكن. لذلك علينا أن نتحلى ببعض الحياد حيال ذلك.

بطريقة تشبه البحث عن الذهب. هاري لديه مقاليته وهو يبحث عن الذهب في بركة عميقة ، ونحن نبحث في بركة ضحلة قليلاً ، وغراي أعلى المنبع قليلاً ، وينظر في مكانه الخاص. لا نعرف من سيجد الذهب لأننا لا نعرف مكانه.

ومع ذلك ، أعتقد أنه من المهم حقًا التأكيد على مدى تكامل عمليات البحث الثلاثة هذه. معًا ، ننظر في الكثير من الأماكن التي يمكن أن تتواجد فيها المادة المظلمة. لكننا بالتأكيد لا نغطي جميع الخيارات. كما يقول هاري ، يمكن أن تكون المادة المظلمة موجودة ، لكن تجاربنا الثلاث لن ترى أي شيء أبدًا لأننا نبحث في المكان الخطأ - قد يكون في مفترق آخر للنهر ، حيث لم نبدأ حتى في البحث بعد .

بشكل عام ، يُعتقد أن الطاقة المظلمة تساهم بنسبة 73٪ من كل الكتلة والطاقة في الكون. 23 في المائة أخرى هي المادة المظلمة ، والتي تترك 4 في المائة فقط من الكون مكونًا من مادة عادية ، مثل النجوم والكواكب والأشخاص. مخطط دائري عبر وكالة ناسا

بشكل عام ، يُعتقد أن الطاقة المظلمة تساهم بنسبة 73٪ من كل الكتلة والطاقة في الكون. 23 في المائة أخرى هي المادة المظلمة ، والتي تترك 4 في المائة فقط من الكون مكونًا من مادة عادية ، مثل النجوم والكواكب والأشخاص. مخطط دائري عبر وكالة ناسا

سمكة:أنا أنظر إليها بتفاؤل أكثر. على الرغم من أن جميع التجارب ، كما قال تالي ، يمكن أن تبحث في المكان الخطأ تمامًا ، فمن المحتمل أيضًا أنهم سيجدون جميعًا المادة المظلمة. لا يوجد شيء يتطلب أن تتكون المادة المظلمة من نوع واحد فقط من الجسيمات إلا أننا نأمل أن يكون الأمر بهذه البساطة. يمكن أن تكون المادة المظلمة عبارة عن ثلث أكسيونات ، وثلث WIMPs ثقيل وثلث WIMPs خفيف. سيكون ذلك مسموحًا به تمامًا من كل ما رأيناه.

فيغيروا فيليسيانو:أنا موافق. كان يجب أن أقول إن الكتلة الذهبية التي نبحث عنها قيمة للغاية. لذلك على الرغم من صعوبة البحث ، إلا أنه مفيد لأننا نبحث عن شيء ذي قيمة كبيرة: لفهم ماهية المادة المظلمة واكتشاف جزء جديد من كوننا. هناك جائزة جميلة جدًا في نهاية هذا البحث ، لذا فهي تستحق العناء تمامًا.

TKF:تالي ، أخبرنا قليلاً عن البركة التي تبحث فيها عن تلك الكتلة الصلبة القيمة جدًا من المادة المظلمة.

فيغيروا فيليسيانو:تجري تجربتي حاليًا في السودان ، مينيسوتا ، داخل منجم يزيد ارتفاعه قليلاً عن نصف كيلومتر (على ارتفاع 2341 قدمًا) تحت الأرض. تم تصميم هذه التجربة ، التي تسمى SuperCDMS Soudan ، لإظهار تقنية جديدة قمنا بتطويرها والتي تسمح لنا بالبحث عن WIMPs الموجودة على الجانب الأخف وزنًا. اتضح أن فئات معينة من WIMPs ، وهي أخف من تلك التي يبحث عنها هاري ، تودع القليل جدًا من الطاقة في أجهزة الكشف. أجهزة الكشف لدينا قادرة على التمييز بين كميات صغيرة جدًا من الطاقة المودعة في الكاشف من جميع الإشارات المختلفة العديدة التي نحصل عليها من المواد المشعة والأشعة الكونية وجميع أنواع الأشياء الأخرى التي تتدفق عبر أجهزة الكشف لدينا. أن تكون قادرًا على إجراء هذا الفصل مهم جدًا ، لكل من SuperCDMS و LZ.

الخطوة التالية في تجربتنا تسمى SuperCDMS SNOLAB. SNOLAB هو منجم نيكل في كندا بعمق 2 كيلومتر (6531 قدم). تمت الموافقة على إنشاء تجربة جديدة تمامًا هناك للبحث عن WIMPs منخفضة الكتلة. أيضًا ، إذا لاحظت LUX أو LZ كتلة WIMP أعلى ، فسنكون قادرين على التحقق من هذا القياس. في الوقت الحالي ، نحن بصدد إنهاء التصميم واتخاذ الخطوات الأولى لوضع تجربة SNOLAB الجديدة تمامًا هذه معًا. نتوقع أن يكون لدينا المرحلة الأولى من أجهزة الكشف في العامين المقبلين.

TKF:إذا وجدت إحدى تجاربك دليلاً على وجود مادة مظلمة ، بعد الشمبانيا الاحتفالية ، فما هي الخطوات التالية؟

سمكة:قم بتعبئتها وبيعها ، على ما أعتقد! لكن في الحقيقة ، أود أن أقول إن جميع التجارب ستحتاج إلى الاستمرار حتى بعد هذا الاكتشاف ، حتى يتمكن شخص ما من إثبات أن المادة المظلمة المكتشفة تشكل 100٪ من كل المادة المظلمة في الكون.

نيلسون:سأتفق مع ذلك. سنحتاج أيضًا إلى البحث ومحاولة فهم ما اكتشفناه حقًا. هناك مقولة قديمة في فيزياء الجسيمات مفادها أنك لم تكتشف الجسيم حتى تعرف كتلته ودورانه وتكافؤه ، وهي خاصية مهمة في الوصف الميكانيكي الكمومي للنظام الفيزيائي. لاكتشاف المادة المظلمة حقًا ، سنحتاج إلى إثبات أنها كما نعتقد ، وسنحتاج إلى معرفة خصائصها. بعد اكتشاف الجسيم ، يصبح الجميع أكثر ذكاءً فيما يجب فعله به. كان هذا يحدث مع بوزون هيغز مؤخرًا. أصبح الناس في مصادم الهادرونات الكبير أكثر ذكاءً لأنهم الآن قد رأوا الجسيم ، يمكنهم التركيز على استجوابه.

عندما نبدأ في فعل ذلك مع المادة المظلمة ، سنرى شيئًا جديدًا. هذه هي الطريقة التي يعمل بها التقدم العلمي. في الوقت الحالي ، لا يمكننا أن نرى من خلال الجدار لأننا لم نتوصل إلى معرفة مما يتكون الجدار. ولكن بمجرد أن نفهم ما هو موجود في الجدار - تشبيهي للمادة المظلمة - سنرى من خلالها ونرى الشيء التالي.

فيغيروا فيليسيانو:اسمحوا لي أن أضيف اثنين سنتي إلى ذلك. هناك ثلاثة أشياء مختلفة أعتقد أنها ستحدث إذا وجدت إحدى تجاربنا دليلًا مقنعًا على المادة المظلمة. أولاً ، نريد تأكيد الاكتشاف باستخدام تقنية مختلفة. بعبارة أخرى ، سنريد أكبر قدر ممكن من التأكيد قبل أن نعلن النصر.

بعد ذلك ، سيبتكر الناس 100 طريقة مختلفة لاختبار خصائص الجسيم ، كما وصف هاري. بعد ذلك ، ستساعدنا مرحلة 'علم فلك المادة المظلمة' على معرفة دور الجسيم في الكون. سنرغب في قياس السرعة التي تسير بها ، ومقدارها ، وكيف تتصرف في المجرة.

TKF:من الواضح أن هناك الكثير مما يجب عمله بمجرد أن نجد حتى نوعًا واحدًا فقط من جسيمات المادة المظلمة. لكن يبدو أنه يمكن أن تكون هناك حديقة حيوانات جديدة تمامًا من الجسيمات المظلمة. هل تعتقد أننا سنحتاج إلى 'نموذج قياسي غامق'؟

نيلسون:غالبًا ما كان لدي الفكرة التالية: ها نحن نتساءل ، في 15 في المائة من المادة في الكون ، عن ماهية المادة المظلمة. إذا كانت المادة المظلمة معقدة مثلنا ، فقد لا تعرف حتى أننا موجودون. نحن مجرد أقلية 15 في المائة ، ولكن بطريقة ما نعتقد أننا مهمون للغاية. لكن التجارب التي تجريها المادة المظلمة قد لا تعرف حتى أننا موجودون لأننا أقل اضطرابًا في عالم المادة المظلمة من اضطراب المادة المظلمة علينا.

قد يكون قطاع المادة المظلمة معقدًا - أو ربما حتى خمسة أضعاف - مثل قطاعنا. مثلما نتكون في الغالب من ذرات مكونة من إلكترونات ونواة ، فربما تكون المادة المظلمة أيضًا. في بعض عمليات البحث عن WIMPs ، عليك توخي الحذر بشأن ذلك. قد تكون الطريقة التي تتفاعل بها هذه الأشياء مع مسألتنا مختلفة نوعًا ما عن أبسط حالة ممكنة نبحث عنها.

فيغيروا فيليسيانو:هاري ، إذا كنت ستطبق ماكينة حلاقة أوكام على كوننا ، فكيف تتناسب مع النموذج القياسي؟

نيلسون:حسنًا ، إنه لا يعمل بشكل جيد. النموذج القياسي أكثر تعقيدًا مما يجب أن يكون. لذلك ربما ينطبق الأمر نفسه على المادة المظلمة. ربما توجد فوتونات مظلمة هناك. الفكرة مثيرة للاهتمام. مع ADMX ، يبحث Gray عن جسيم له علاقة بالتفاعل القوي. أنا وتالي نبحث عن جسيم له علاقة بالتفاعل الضعيف. والبحث عن الفوتون المظلم يبحث عن علاقة بين التفاعل الكهرومغناطيسي وقطاع المادة المظلمة.

يريد المجتمع حقًا اكتشاف المادة المظلمة. هناك شعور بالإلحاح حيال ذلك ، وسنبحث عنه بكل الطرق الممكنة.

سمكة:انها حقيقة. مع ADMX ، نركز في الغالب على الأكسيون ، لكننا نبحث أيضًا عن الفوتونات المظلمة في الكتل السفلية. هناك المواد المظلمة المرشحة التي يكون الناس متحمسين لها حقًا ، مثل الأكسيونات و WIMPs. هؤلاء يحصلون على تجارب مبنية مخصصة لهم. ثم هناك أفكار قد تكون جيدة ولكن ليس لديها نفس القدر من الحافز ، مثل الفوتونات المظلمة. لا يزال الناس يبحثون عن طرق لاختبار هذه الأفكار ، غالبًا باستخدام التجارب الحالية.

TKF:من الواضح أن هناك مجموعة متنوعة من الأماكن التي يمكن أن نجد فيها المادة المظلمة. نحن نبحث عن هذا الذهب أينما أمكننا ، لكننا لسنا متأكدين تمامًا من وجوده في أي مكان نبحث فيه. كيف يبدو البحث عن شيء قد لا تجده أبدًا؟

فيغيروا فيليسيانو:أعتقد أن الأشخاص الذين يعملون على المادة المظلمة لديهم شخصية معينة ، وقليلًا من خط المقامر. نذهب للمخاطرة الكبيرة ، ونضع كل الرقائق فيها. هناك مجالات أخرى في الفيزياء حيث نتأكد من رؤية شيء ما. بدلاً من ذلك ، نختار البحث عن شيء قد لا نراه بالفعل. إذا رأينا ذلك ، فهو صفقة ضخمة.

نحن محظوظون للغاية لأننا في الواقع نتقاضى رواتبنا لمحاولة اكتشاف مما يتكون الكون. هذا شيء رائع للغاية.

نيلسون:أفكر أحيانًا في ما كان يجب أن يكون عليه أن تكون كولومبوس وطاقمه ، أو المستكشفون الذين ذهبوا أولاً إلى قطبي الأرض. لقد كانوا في طريقهم للخروج في وسط المحيط ، أو في الجليد ، ولم يكونوا متأكدين تمامًا مما سيحدث بعد ذلك. لكنهم حددوا أهدافًا: الهند والصين لكولومبوس ، والقطبان لهؤلاء المستكشفين. نحن مستكشفون أيضًا ، ونضع أهدافًا لأنفسنا أيضًا ، للبحث عن بعض الحساسيات المحددة مسبقًا للمادة المظلمة. نحن نبتكر باستخدام التكنولوجيا الحديثة للوصول إلى أهدافنا المحددة. وقد نجعله العالم الجديد أو القطب الشمالي ، وهذا مثير بشكل رائع.

التوزيع المستنتج للمادة المظلمة المتراكبة باللون الأرجواني فوق صورة تلسكوب هابل الفضائي لمجموعة المجرات Abell 1689. الصورة عبر NASA و ESA و E. Jullo (JPL / LAM) و P. Natarajan (Yale) و J-P. كنيب (لام)

التوزيع المستنتج للمادة المظلمة المتراكبة باللون الأرجواني فوق صورة تلسكوب هابل الفضائي لمجموعة المجرات Abell 1689. الصورة عبر NASA و ESA و E. Jullo (JPL / LAM) و P. Natarajan (Yale) و J-P. كنيب (لام)

خلاصة القول: تدعوك مؤسسة Kavli Foundation إلى جلسة أسئلة وأجوبة مباشرة مع العلماء على حافة البحث عن المادة المظلمة في 20 نوفمبر 2014 وتقدم هذه المعلومات الخلفية عن الجيل التالي من تجارب المادة المظلمة التي حصلت على الضوء الأخضر للتمويل في يوليو الماضي .