مصادم الهدرونات الكبير يكشف إلى أي مدى يمكن أن تنتقل المادة المضادة عبر درب التبانة

كشفت نتائج جديدة أن نظائر المادة المضادة للنوى الذرية الخفيفة يمكن أن تنتقل لمسافات شاسعة عبر درب التبانة قبل امتصاصها.

أثناء انتقال هذه الجسيمات، من المحتمل أن تعمل ك “رسل” للمادة المظلمة، لذلك يمكن أن يساعد الكشف علماء الفلك في البحث عن المادة المظلمة، المادة الغامضة التي تمثل حوالي 85٪ من إجمالي كتلة الكون ولكنها تظل غير مرئية لأنها لا تتفاعل مع الضوء.

توصل العلماء في تعاون ALICE إلى النتيجة باستخدام نوى antihelium ، وهي المادة المضادة المكافئة لنوى الهيليوم ، الناتجة عن تصادم النوى الذرية الثقيلة في مصادم الهادرونات الكبير (LHC).

“تظهر نتائجنا ، لأول مرة على أساس قياس الامتصاص المباشر ، أن نوى antihelium-3 القادمة من أماكن بعيدة مثل مركز مجرتنا يمكن أن تصل إلى مواقع قريبة من الأرض” ، قال منسق الفيزياء ALICE Andrea Dainese ، في بيان.

على الرغم من أن هذا النوع من المادة المضادة يمكن إنشاؤه في مسرعات الجسيمات مثل LHC ، إلا أنه لا توجد مصادر طبيعية لنوى المادة المضادة أو “النوى المضادة” على الأرض.

ومع ذلك ، يتم إنتاج هذه الجسيمات المضادة بشكل طبيعي في أماكن أخرى في درب التبانة ، حيث يفضل العلماء أصلين محتملين.

المصدر الأول المقترح للنواة المضادة هو التفاعل بين الإشعاع الكوني عالي الطاقة ، الذي ينشأ من خارج النظام الشمسي ، مع الذرات في ما يسمى بالوسط بين النجوم الذي يملأ الفراغ بين النجوم.

المصدر الآخر المقترح للنوى المضادة هو إبادة جزيئات المادة المظلمة التي تنتشر في جميع أنحاء المجرة. في حين أن العلماء لا يعرفون سوى القليل عن المادة المظلمة ، إلا أنهم على يقين من أنها لا تتكون من جسيمات مثل البروتونات والنيوترونات التي تشكل المادة اليومية التي تشكل النجوم والكواكب ونحن.

يعتقد العلماء أن المادة المظلمة ، على النقيض من ذلك ، تتكون من مجموعة واسعة من الجسيمات ذات الأسماء الملونة مثل WIMPs (الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل) و MACHOs (أجسام هالة مدمجة ضخمة).

يشير أحد السيناريوهات إلى أنه عندما تصطدم جسيمات المادة المظلمة ، فإنها تبيد إلى جسيمات تتحلل بعد ذلك إلى مادة ضوئية وجسيمات المادة المضادة ، مثل الإلكترونات ونظيرتها من المادة المضادة ، البوزيترونات.

إذا كان إبادة المادة المظلمة هي بالفعل مصدر للمادة المضادة في الكون ، فإن المادة المضادة يمكن أن تشير إلى الطريق إلى المادة المظلمة ، كما يأمل العلماء.

حساب التدفق

دفع السعي لمعرفة المزيد عن المادة المظلمة إلى تطوير بعثات فضائية مثل مطياف ألفا المغناطيسي (AMS) على متن محطة الفضاء الدولية (ISS). تم تصميم AMS في CERN ، موطن LHC ، للبحث في الكون عن نوى المادة المضادة الخفيفة التي يمكن أن تشير إلى وجود المادة المظلمة الغامضة.

ولكن من أجل تحديد ما إذا كانت المادة المظلمة هي مصدر مضادات النيوكليونات، يحتاج العلماء الذين يجرون AMS وتجارب مماثلة أولا إلى معرفة مقدار المادة المضادة الخفيفة التي يمكن أن تمر عبر مجرة درب التبانة للوصول إلى مواقعها القريبة من الأرض، والمعروفة أيضا باسم “تدفق” الجسيمات المضادة.

يعتمد هذا التدفق على عدة عوامل ، بما في ذلك مصدر المادة المضادة ، ومعدل إنتاجها للنوى المضادة ، ومعدل اختفاء النوى المضادة أثناء رحلتها من مركز مجرتنا إلى الأرض. يحدث هذا الاختفاء عندما تلتقي جزيئات المادة المضادة بجزيئات المادة التقليدية. إما أن يتم القضاء على كليهما أو يتم امتصاص المادة المضادة بواسطة المادة.

قام تعاون ALICE بالتحقيق في اختفاء المادة المضادة باستخدام LHC لتصادم ذرات الرصاص التي تم تأينها أو تجريدها من الإلكترونات. ثم قام الفيزيائيون بقياس كيفية تفاعل نوى antihelium-3 الناتجة عن هذه الاصطدامات مع المادة العادية في شكل كاشف ALICE. كشفت التجربة لأول مرة عن المعدل الذي تختفي به نوى antihelium-3 عندما تواجه المادة العادية.

باستخدام برنامج كمبيوتر ، قام الباحثون بعد ذلك بمحاكاة انتشار الجسيمات المضادة عبر المجرة وقدموا إلى هذا النموذج معدل الاختفاء المقاس في ALICE. سمح هذا النموذج للباحثين باستقراء نتائجهم على المجرة ككل، والنظر في الآليتين المقترحتين لإنتاج النوى المضادة: افترض أحد النماذج أن المادة المضادة جاءت من تصادم الأشعة الكونية مع الوسط بين النجوم، وعزا النموذج الآخر المادة المضادة إلى شكل افتراضي من المادة المظلمة يسمى الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs).

بالنسبة لكل من هذه الآليات، قدر فريق ALICE شفافية مجرة درب التبانة إلى نوى مضاد الهيليوم-3 – وبعبارة أخرى، فإن المسافة التي تقطعها نوى مضاد الهيليوم-3 حرة قبل تدميرها أو امتصاصها. كشفت النماذج عن شفافية تبلغ حوالي 50٪ في نموذج المادة المظلمة وشفافية تتراوح من 25٪ إلى 90٪ في نموذج تصادم الأشعة الكونية ، اعتمادا على طاقة النوى المضادة التي تم إنشاؤها.

تظهر هذه القيم أن نوى antihelium-3 الناشئة عن أي من العمليتين يمكن أن تنتقل لمسافات طويلة – تصل إلى عدة كيلو فرسخ فلكي ، مع كل كيلو فرسخ فلكي يعادل حوالي 3,300 سنة ضوئية. (يبلغ عرض مجرة درب التبانة حوالي 30 كيلو فرسخ فلكي ، وفقا لوكالة ناسا).

يمكن أن تكون النتائج مهمة في التجارب المستقبلية التي تحسب عدد النوى المضادة التي تصل حول الأرض وبأي طاقات على أمل تحديد ما إذا كان أصل هذه الجسيمات المضادة هو تصادم الأشعة الكونية أو إبادة المادة المظلمة.

“تظهر النتائج التي توصلنا إليها أن عمليات البحث عن نوى المادة المضادة الخفيفة من الفضاء الخارجي تظل طريقة قوية للبحث عن المادة المظلمة” ، قال المتحدث باسم ALICE لوسيانو موسى في نفس البيان.

المصدر / space.com