يخبرنا النموذج القياسي لعلم الكونيات أن 4.9 ٪ فقط من الكون يتكون من مادة عادية (أي ما يمكننا رؤيته) ، في حين يتكون الباقي من 26.8 ٪ من المادة المظلمة و 68.3 ٪ من الطاقة المظلمة. كما تشير الأسماء ، لا يمكننا رؤيتها ، لذلك كان لا بد من الاستدلال على وجودها بناءً على النماذج النظرية ، وملاحظات الهيكل الكبير للكون ، وتأثيراته الجاذبة على المادة المرئية.
منذ أن تم اقتراحه لأول مرة ، لم يكن هناك نقص في الاقتراحات حول شكل جسيمات المادة المظلمة. منذ وقت ليس ببعيد ، اقترح العديد من العلماء أن المادة المظلمة تتكون من جزيئات ضخمة ذات تفاعل ضعيف (WIMPs) ، والتي تبلغ حوالي 100 ضعف كتلة البروتون ولكنها تتفاعل مثل النيوترينوات. ومع ذلك ، فإن كل محاولات العثور على WIMPs باستخدام تجارب المصادمات قد انتهت. على هذا النحو ، كان العلماء يستكشفون الفكرة مؤخرًا أن المادة المظلمة قد تتكون من شيء آخر تمامًا.
تميل النماذج الكونية الحالية إلى افتراض أن كتلة المادة المظلمة هي حوالي 100 جيجا (Giga-electrovolts) ، وهو ما يتوافق مع مقياس كتلة الكثير من الجسيمات الأخرى التي تتفاعل عبر قوة نووية ضعيفة. إن وجود مثل هذا الجسيم سيكون متسقًا مع الامتدادات الفائقة التناظر للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. ومن المعتقد أيضًا أن مثل هذه الجسيمات كانت ستنتج في الكون الحار ، والكثيف ، في وقت مبكر ، بكثافة كتلة مادة ظلت ثابتة حتى يومنا هذا.
ومع ذلك ، فشلت الجهود التجريبية الجارية للكشف عن WIMPs في إنتاج أي دليل ملموس على هذه الجسيمات. وتشمل هذه البحث عن منتجات إبادة WIMP (أي أشعة جاما والنيوترينوات والأشعة الكونية) في المجرات والمجموعات القريبة ، بالإضافة إلى تجارب الكشف المباشر باستخدام المبردات الفائقة ، مثل CERN Large Hadron Collider (LHC) في سويسرا.
ولهذا السبب ، بدأت العديد من فرق الباحثين في التفكير في النظر إلى ما وراء نموذج WIMPs للعثور على المادة المظلمة. يتكون أحد هذه الفرق من مجموعة من علماء الكون من CERN و CP3-Origins في الدنمارك ، الذين أصدروا مؤخرًا دراسة تشير إلى أن المادة المظلمة يمكن أن تكون أثقل بكثير وأقل تفاعلًا مما كان يعتقد سابقًا.
كما أخبر د. ماكولين ساندورا ، أحد أعضاء فريق البحث من CP-3 Origins ، مجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني:
"لا يمكننا استبعاد سيناريو WIMP بعد ، ولكن مع مرور كل عام يزداد الشك في أننا لم نر أي شيء. بالإضافة إلى ذلك ، تعاني الفيزياء الضعيفة المعتادة من مشكلة التسلسل الهرمي. هذا هو السبب في أن جميع الجسيمات التي نعرفها خفيفة للغاية ، خاصة فيما يتعلق بالمقياس الطبيعي للجاذبية ، مقياس بلانك ، والذي يبلغ حوالي 1019 GeV. لذا ، إذا كانت المادة المظلمة أقرب إلى مقياس بلانك ، فلن تتأثر بمشكلة التسلسل الهرمي ، وهذا يفسر أيضًا سبب عدم رؤيتنا للتوقيعات المرتبطة بـ WIMPs ".
باستخدام نموذج جديد يسمونه Planckian Interacting Dark Matter (PIDM) ، كان الفريق يستكشف الحد الأعلى من كتلة المادة المظلمة. في حين أن WIMPs تضع كتلة المادة المظلمة في الحد الأعلى من مقياس الكهربية ، اقترح فريق البحث الدنماركي Marthias Garny و McCullen Sandora و Martin S. Sloth جسيمًا مع كتلة بالقرب من مقياس طبيعي آخر تمامًا - مقياس Planck.
على مقياس بلانك ، وحدة واحدة تعادل 2.17645 × 10-8 كجم - تقريبًا ميكروغرام ، أو 1019 مرات أكبر من كتلة البروتون. عند هذه الكتلة ، يكون كل PIDM ثقيلًا مثل الجسيمات قبل أن يصبح ثقبًا أسودًا صغيرًا. يفترض الفريق أيضًا أن جسيمات PIDM تتفاعل مع المادة العادية فقط من خلال الجاذبية وأن أعدادًا كبيرة منها تشكلت في بداية الكون خلال فترة "إعادة التسخين" - وهي الفترة التي حدثت في نهاية عصر التضخم ، حوالي 10-36 ر ٠١-33 أو 10-32 بعد ثوان من الانفجار الكبير.
هذه الحقبة سميت لأنه خلال التضخم ، يعتقد أن درجات الحرارة الكونية قد انخفضت بمعامل 100000 أو نحو ذلك. عندما انتهى التضخم ، عادت درجات الحرارة إلى درجة حرارة ما قبل التضخم (ما يقدر بنحو 1027 ك). عند هذه النقطة ، انحرفت الطاقة الكامنة الكبيرة لمجال التضخم إلى جزيئات نموذجية قياسية ملأت الكون ، والتي كانت ستشمل المادة المظلمة.
وبطبيعة الحال ، تأتي هذه النظرية الجديدة مع حصتها من الآثار المترتبة على علماء الكونيات. على سبيل المثال ، لكي يعمل هذا النموذج ، يجب أن تكون درجة حرارة فترة إعادة التسخين أعلى مما هو مفترض حاليًا. علاوة على ذلك ، ستؤدي فترة إعادة التسخين الأكثر سخونة أيضًا إلى إنشاء موجات جاذبية أكثر بدائية ، والتي ستكون مرئية في الخلفية الميكروية الكونية (CMB).
تقول ساندورا: "وجود درجة حرارة عالية كهذه يخبرنا شيئين مثيرين للاهتمام بشأن التضخم". "إذا تبين أن المادة المظلمة هي PIDM: الأول هو أن التضخم حدث بطاقة عالية جدًا ، وهو ما يعني بدوره أنه لم يكن قادرًا على إنتاج تقلبات في درجة حرارة الكون المبكر فحسب ، بل أيضًا في الزمكان نفسه ، في شكل موجات الجاذبية. ثانيًا ، يخبرنا أن طاقة التضخم يجب أن تتحلل إلى المادة بسرعة فائقة ، لأنه إذا استغرق الأمر وقتًا طويلاً ، لكان الكون قد تبرد إلى درجة أنه لن يكون قادرًا على إنتاج أي PIDM على الإطلاق. "
يمكن تأكيد وجود هذه الموجات التثاقلية أو استبعادها من خلال الدراسات المستقبلية التي تشمل الخلفية الميكروية الكونية (CMB). هذه أخبار مثيرة ، حيث من المتوقع أن يؤدي الاكتشاف الأخير لموجات الجاذبية إلى محاولات متجددة للكشف عن الموجات البدائية التي يعود تاريخها إلى إنشاء الكون.
كما أوضحت Sandora ، يقدم هذا سيناريو مربحًا للعلماء ، لأنه يعني أن هذا المرشح الأخير للمادة المظلمة سيكون قادرًا على إثبات أو دحض في المستقبل القريب.
“[سين] سيناريو الخاص بك يجعل توقع ملموس: سنرى موجات الجاذبية في الجيل القادم من تجارب الخلفية الميكروويف الكونية. لذلك ، إنه سيناريو عدم الخسارة: إذا رأيناهم ، فهذا أمر رائع ، وإذا لم نرهم ، فسنعلم أن المادة المظلمة ليست PIDM ، مما يعني أننا نعلم أنه يجب أن يكون لها بعض التفاعلات الإضافية بالمادة العادية. وكل هذا سيحدث خلال العقد المقبل أو نحو ذلك ، مما يمنحنا الكثير لنتطلع إليه ".
منذ أن اقترح جاكوبس كابتين لأول مرة وجود المادة المظلمة في عام 1922 ، كان العلماء يبحثون عن بعض الأدلة المباشرة على وجودها. تم اقتراح جزيئات مرشحة واحدة تلو الأخرى ، بدءًا من الجرافيتينو وماخوس إلى المحوريات ، ووزنها ووجدت أنها مطلوبة. إذا لم يكن هناك شيء آخر ، فمن الجيد أن تعرف أنه يمكن إثبات وجود هذا الجزيء المرشح الأخير أو استبعاده في المستقبل القريب.
وإذا ثبت صحتها ، فسنحل أحد أعظم الألغاز الكونية في كل العصور! خطوة أقرب إلى الفهم الحقيقي للكون وكيف تتفاعل قوىه الغامضة. نظرية كل شيء ، نأتي هنا (أم لا)!
