إشارة من مستشعر تحت الأرض في كاشف للمادة المظلمة بساوث داكوتا تثير تدقيقاً لدى علماء الفيزياء

حدد علماء الفيزياء الذين يحللون بيانات تجربة LUX-ZEPLIN (LZ)—وهي أداة فائقة الحساسية تحت الأرض صُممت للبحث عن المادة المظلمة—إشارة غير متوقعة في قراءات الكاشف الخاص بهم، مما أحيى الاهتمام مجدداً بالبحث عن الكتلة المفقودة في الكون. ووفقاً لتقرير نشرته مجلة *The Economist*، تم تسجيل التوقيع الإلكتروني غير العادي في 16 June 2023 داخل غرفة الزينون السائل الخاصة بالأداة. وفي حين يؤكد علماء فيزياء الجسيمات أن القراءة الشاذة يمكن أن تُعزى في النهاية إلى إشعاع خلفية نادر، أو ضوضاء في الأجهزة، أو تقلبات إحصائية بدلاً من كشف تاريخي، فإن هذا الرصد قد أثار تدقيقاً فورياً عبر مجتمع الفيزياء العالمي. ويخضع الباحثون حالياً هذا الحدث لبروتوكولات تحقق شاملة لتحديد ما إذا كان يمثل تفاعلاً مع المادة المظلمة أم إنذاراً كاذباً من مصدر أرضي.

## حقائق رئيسية - تم تسجيل إشارة غير متوقعة بواسطة كاشف المادة المظلمة LUX-ZEPLIN (LZ) في 16 June 2023. - تعمل تجربة LZ على عمق 4,850 قدماً تحت الأرض في منشأة Sanford Underground Research Facility في Lead بولاية South Dakota. - تعتمد الأداة على سبعة أطنان مترية من الزينون السائل النشط لالتقاط تصادمات الجسيمات النادرة. - يُقدَّر أن المادة المظلمة تشكل نحو 85 بالمئة من إجمالي المادة في الكون، لكن لم يتم رصدها بشكل مباشر قط. - تتطلب معايير فيزياء الطاقات العالية مستوى ثقة إحصائياً يبلغ خمسة انحرافات معيارية—أي نتيجة خمسة سيجما (five-sigma)—لإعلان كشف حاسم.

## ماذا حدث سُجلت الإشارة المعنية بواسطة كاشف LUX-ZEPLIN في عمق كهف كان يُستخدم سابقاً كمنجم ذهب Homestake. وفي 16 June 2023، سجلت المستشعرات التي تراقب الغرفة المركزية لـ LZ تفاعلاً أنتج وميضاً ضوئياً أعقبه بلحظات انبعاث ثانوي لإلكترونات متأينة. وفي كواشف المادة المظلمة القائمة على الزينون السائل، تسمح آلية الإشارة المزدوجة هذه للتجريبيين بإعادة بناء الموقع ثلاثي الأبعاد للحدث والتمييز بين التفاعلات دون الذرية المختلفة.

عندما يصطدم جسيم بالزينون داخل الغرفة المركزية، فإنه ينتج ضوءاً أولياً فوق بنفسجي ترصده مصفوفات من أنابيب التضخيم الضوئي. وفي الوقت نفسه، يحرر التصادم إلكترونات تُسحب إلى الأعلى عبر الزينون السائل بواسطة مجال كهربائي نحو طبقة غازية في أعلى الوعاء. وعند دخولها المرحلة الغازية، تُنشئ هذه الإلكترونات دفقاً ضوئياً ثانياً من خلال التألق الكهربائي. وتسمح النسبة بين دفق الضوء الأولي وإشارة التألق الكهربائي الثانوية للعلماء بالتمييز بين أحداث الخلفية العادية—مثل أشعة غاما أو تحلل بيتا—والمرشحات المحتملة للمادة المظلمة.

ووفقاً لتقرير *The Economist*، أنتج الحدث المسجل في منتصف عام 2023 توقيعاً إلكترونياً برز بالمقارنة مع نماذج الخلفية القياسية. وللحفاظ على النزاهة العلمية، يستخدم تعاون LZ بروتوكولات حجب البيانات الصارمة. وبموجب هذه العملية، يتم تشفير البيانات المجمعة في المناطق التي يُتوقع فيها وجود إشارات للمادة المظلمة حتى الانتهاء من تقديرات الخلفية. وتؤدي عملية رفع الحجب عن مجموعات البيانات إلى تحليلات عالية المخاطر حيث تُقيَّم الأحداث الشاذة مقابل ملايين من تفاعلات الخلفية. وبرز حدث 16 June كنقطة اهتمام مكثف خلال عملية التدقيق هذه، مما دفع إلى إجراء فحوصات تفصيلية لأنظمة الجهد العالي، والمستشعرات الضوئية، ووحدات التثبيت التبريدي.

## لماذا يهم هذا الأمر يمثل البحث عن المادة المظلمة أحد أكثر المساعي أساسية في العلوم الفيزيائية. فقد أثبتت الفيزياء الفلكية وعلم الكون أن المادة المرئية—كل نجم وكوكب وجسيم دون ذري يصفه النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات—تشكل أقل من 15 بالمئة من إجمالي المادة في الكون. أما الـ 85 بالمئة المتبقية فتوجد في شكل غير معروف يمارس جذباً ثقالياً ولكنه لا يمتص الضوء أو يعكسه أو ينبعث منه.

إن تأكيد تفاعل فيزيائي مباشر بين المادة المظلمة والنوى الذرية من شأنه أن يغير الفهم البشري للطبيعة بشكل جذري. فهو سيقدم أول دليل تجريبي مباشر يتجاوز النموذج القياسي، الذي حكم فيزياء الجسيمات لنصف قرن ولكنه يفشل في تفسير الشذوذ الثقالي على المقاييس الكونية أو عدم التماثل بين المادة والمادة المضادة في الكون.

علاوة على ذلك، فإن تحديد الكتلة الدقيقة وخصائص التفاعل لجسيمات المادة المظلمة سيوفر معلمات تجريبية حاسمة للفيزياء النظرية. وإذا كانت الإشارة التي سجلتها LZ تعكس مادة مظلمة حقيقية، فقد توثق الأطر النظرية مثل التناظر الفائق أو تلمح إلى الأكسيونات الخفيفة، أو الفوتونات المظلمة، أو النيوترينوات العقيمة. وعلى العكس من ذلك، إذا كشف التحقيق أن الإشارة ما هي إلا تأثير خلفية غير متوقع، فإن النتائج ستظل توفر رؤى حيوية، مما يسمح للعلماء بتحسين خوارزميات رفض الخلفية وبناء كواشف مستقبلية أكثر حساسيتها.

## الخلفية التاريخية نشأ مفهوم المادة المظلمة في أوائل القرن العشرين عندما لاحظ الفلكيون تباينات بين الكتلة المرئية للهياكل الكونية والجاذبية المطلوبة لإبقائها متماسكة. وفي عام 1933، قاس عالم الفيزياء الفلكية السويسري Fritz Zwicky السرعات المدارية للمجرات في عنقود Coma Cluster وخلص إلى أن العنقود يحتوي على كتلة غير مرئية أكبر بكثير من النجوم المرئية. وفي سبعينيات القرن الماضي، قدمت الفلكية الأمريكية Vera Rubin وKent Ford أدلة رصدية حاسمة من خلال تحليل منحنيات دوران المجرات الحلزونية، مما أظهر أن النجوم الخارجية تدور بسرعات غير متوقعة تتطلب هالات ضخمة من المادة غير المرئية.

تؤكد القياسات الكونية الحديثة، بما في ذلك خرائط الخلفية الإشعاعية للكون بواسطة تلسكوب Planck الفضائي التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، أن المادة المظلمة تشكل نحو 26.8 بالمئة من إجمالي ميزانية الطاقة والمادة في الكون. وكان المرشح الرئيسي للمادة المظلمة لفترة طويلة هو الجسيم الضخم ضعيف التفاعل (WIMP)—وهي جسيمات دون ذرية افتراضية نُشئت في الكون المبكر وتتفاعل فقط من خلال الجاذبية والقوة النووية الضعيفة.

للكشف عن جسيمات WIMP، يجب على التجريبيين حماية الأجهزة من الأشعة الكونية. وقد دمج تعاون LUX-ZEPLIN بين تجربتين رائدتين: كاشف Large Underground Xenon (LUX) وتجربة ZEPLIN-III. وتقع LZ على عمق 4,850 قدماً تحت Lead بولاية South Dakota، داخل منشأة Sanford Underground Research Facility، وهي محمية بنحو ميل من الصخور التي تضعف ميونات الأشعة الكونية بمقدار ملايين المرات.

تضم تجربة LZ غرفة إسقاط مركزية مملوءة بـ 10 أطنان مترية من الزينون السائل الفائق النقاء، وسبعة أطنان منها تُستخدم كهدف نشط. ويُختار الزينون لكثافته العالية وشفافيته الضوئية، مما يجعله هدفاً مثالياً للارتدادات النووية النادرة. والوعاء المركزي معلق داخل كاشف خارجي يحتوي على متلألئ سائل ومحاط بخزان ضخم من الماء الفائق النقاء لحجب إشعاعات الخلفية.

واجهت تجارب المادة المظلمة السابقة إشارات مثيرة للاهتمام تطلبت إعادة تقييم دقيقة. ففي عام 2020، أفادت تجربة XENON1T في إيطاليا عن وجود فائض في أحداث ارتداد الإلكترونات منخفضة الطاقة. ومع ذلك، أشارت التحليلات اللاحقة التي أجرتها تجربة XENONnT المحدثة إلى أن هذا الفائض كان على الأرجح بسبب كميات ضئيلة من التلوث بالتريتيوم المشع أو مصادر خلفية غير محتسبة بدلاً من فيزياء جديدة.

## ردود الفعل أثارت النتائج الأولية لتجربة LUX-ZEPLIN فضولاً منضبطاً وشكوكاً حذرة لدى علماء الفيزياء حول العالم. وبينما يحافظ التجريبيون داخل تعاون LZ على ضبط النفس التحليلي، بدأ علماء الفيزياء النظرية في تقييم نماذج سيناريو محتملة لتحديد العمليات دون الذرية التي يمكن أن تولد مثل هذا التوقيع.

وأكد علماء الفيزياء خارج التعاون على الحاجة إلى الصبر، مذكرين بحالات سابقة تلاشى فيها شذوذ الإشارات التجريبية بمجرد الحصول على مجموعات بيانات أكبر أو تحسين نمذجة الخلفية. ويوضح الخبراء أنه في أبحاث المادة المظلمة الحساسة، يمكن للنظائر المشعة النادرة للغاية—مثل منتجات تحلل الرادون، أو الكريبتون-85، أو آثار الأرجون-37—أن تحاكي إشارات المادة المظلمة المحتملة رغم أحدث تقنيات التنقية.

يراقب الباحثون من مشاريع المادة المظلمة المنافسة، بما في ذلك تعاون XENONnT في مختبرات Laboratori Nazionali del Gran Sasso في إيطاليا وفريق PandaX-4T في مختبر Jinping Underground Laboratory في الصين، تقدم LZ عن كثب. وتدير هذه التحالفات المستقلة كواشف للزينون السائل ذات نطاق مماثل. وإذا كانت الإشارة التي رصدتها LZ تعكس ظاهرة فيزيائية حقيقية، فيجب أن تظهر توقيعات موازية في النهاية في مجموعات بيانات هذه المنشآت الشريكة حول العالم.

## ما لا نعرفه بعد لا تزال هناك أسئلة تشغيلية وتحليلية مهمة تحيط بحدث 16 June 2023 الذي سجله كاشف LUX-ZEPLIN. وأكثر ما يثير التساؤل هو أن الباحثين لم يؤكدوا علناً بعد ما إذا كانت الإشارة تمثل ارتداداً نووياً—وهو التوقيع الكلاسيكي المتوقع من اصطدام جسيم WIMP ثقيل بنواة زينون—أم ارتداداً إلكترونياً، مما قد يشير إلى مرشحات بديلة مثل الأكسيونات، أو النيوترينوات الشمسية، أو ملوثات خلفية دقيقة.

علاوة على ذلك، لا تزال الأهمية الإحصائية للحدث المسجل غير معلنة. ففي فيزياء الجسيمات، يتطلب ادعاء الاكتشاف تحقيق مستوى ثقة يبلغ خمسة سيجما (five-sigma)، وهو ما يمثل احتمالاً يقل عن واحد في المليون بأن تكون الإشارة تقلبات خلفية عشوائية. وقد تمثل البيانات الحالية التباين الإحصائي منخفض الأهمية بدلاً من اتجاه قابل للتكرار.

كما يظل من غير المعروف ما إذا كانت جولات الرصد اللاحقة من عام 2023 حتى عام 2026 قد أسفرت عن أحداث إضافية تطابق خصائص إشارة 16 June. وحتى يكمل تعاون LZ عملية رفع الحجب والنمذجة الإحصائية لمجموعة بياناته متعددة السنوات، لا يمكن للعلماء استبعاد الخلل في الأجهزة، أو أحداث التفريغ الكهربائي، أو الشوائب الضئيلة للغاية داخل مصفوفة الزينون السائل.

## ما يجب مراقبته في الأشهر المقبلة، ستوضح عدة محطات رئيسية طبيعة الإشارة الشاذة التي سجلتها تجربة LZ: - نشر التحليل الكامل لمجموعة بيانات LZ متعددة السنوات، والذي سيعرض مخططات طيف الطاقة الرسمية، وتقديرات الخلفية، ومستويات الثقة الإحصائية. - نتائج المعايرة المتعلقة بالنظائر المشعة الدقيقة، وبشكل خاص الجولات المستهدفة التي تقيم كفاءة التخفيف من الرادون وأداء إزالة الكريبتون داخل عمود تقطير الزينون. - نتائج التحقق المتقاطع من التجارب المنافسة تحت الأرض، ولا سيما XENONnT في إيطاليا وPandaX-4T في الصين، والتي تقوم حالياً بتجميع مجموعات بيانات تعرض مستقلة متعددة الأطنان. - عرض النتائج في المؤتمرات الدولية الكبرى للفيزياء، مثل المؤتمر الدولي لفيزياء الطاقات العالية (ICHEP) وسلسلة مؤتمرات المادة المظلمة، حيث سيواجه التجريبيون مراجعة أقران مباشرة.

يعتمد هذا التقرير على تغطية إخبارية أصلية نشرتها مجلة *The Economist*.