يمكن أن تنضم المجالات الطافية الصغيرة إلى البحث عن المادة المظلمة - عالم الفيزياء

يريد الفيزيائيون في الصين توسيع نطاق البحث عن المادة المظلمة باستخدام مذبذب صغير. من خلال ضبط تردد الرنين لجهاز الاستشعار الخاص بهم عبر ثلاث درجات من حيث الحجم ، يقولون إنهم يجب أن يكونوا قادرين على وضع حدود منخفضة جديدة على قوة تفاعل المادة المظلمة منخفضة الكتلة المفترضة مع نطاق كبير بنفس القدر من الكتل. ومع ذلك ، لا يزال يتعين عليهم إظهار قدرتهم على حجب جميع مصادر الضوضاء المحتملة.

استنتج العلماء وجود المادة المظلمة في الكون منذ عقود ، بعد أن لاحظوا أن النجوم البعيدة عن مركز المجرات تدور بسرعة أكبر مما كان متوقعًا. على الرغم من بذل الكثير من الجهد في هذه الأثناء ، لا يزال يتعين على الباحثين اكتشاف أي مادة مظلمة مباشرة. كان المرشح الرئيسي لسنوات عديدة يتفاعل بشكل ضعيف مع الجزيئات الضخمة (WIMPs) ، التي تزن ما بين 10¹⁰-10¹² فولت / ج² وربطها بنظرية التناظر الفائق. لكن عمليات البحث المتعددة في مصادم الهادرونات الكبير في سيرن وفي منشآت مخصصة تحت الأرض أثارت فراغًا حتى الآن.

في الوقت نفسه ، كثف الباحثون البحث عن جسيمات أخف بكثير. الأبرز من بينها هو الأكسيون ، وهو بوزون مغزلي 0 كتلته في مكان ما بين 10^-6-10^-3 فولت / ج² التي تم اقتراحها في الأصل لحل مأزق مع القوة النووية القوية. ولكن أبعد من ذلك تكمن حديقة حيوانات افتراضية من "الجسيمات الشبيهة بالمحور" (ALPs) ، والتي ، على عكس الأكسيونات نفسها ، يمكنها من حيث المبدأ أن تأخذ أي نطاق واسع من الكتل وقوى التفاعل.

موجات متماسكة

يعتمد البحث عن هذه الجسيمات باستخدام المذبذبات الميكانيكية على حقيقة أن مثل هذه الكيانات منخفضة الكتلة وبالتالي وفيرة من شأنها أن تتصرف كموجات متماسكة. عندما تمر الأرض عبر سحابة المادة المظلمة التي يُعتقد أنها تغلف مجرة ​​درب التبانة ، فإن الطبيعة الموجية لـ ALPs ستؤدي إلى تباين دوري في حركة مذبذب حساس بشكل مناسب. سيكون حجم التأثير متناسبًا مع عدد النيوترونات في الكاشف وقوة اقتران محددة ولكنها غير معروفة ، في حين أن تردد التذبذب سيكون متناسبًا مع كتلة ALP. قد يشير أي اختلاف في تردد معين لا يمكن تفسيره بمصادر ضوضاء أكثر رتابة إلى وجود مادة مظلمة.

بحث الباحثون عن مثل هذه التعديلات باستخدام مهمة الفضاء الفرنسية MICROSCOPE والتجارب على الأرض. في إحدى التجارب الأرضية ، قام إريك أديلبيرجر وزملاؤه في جامعة واشنطن في الولايات المتحدة بمراقبة حركة توازن الالتواء الدوار. حصلوا على نتيجة فارغة بعد تحليل ما يقرب من سبع سنوات من البيانات ، في عام 2019 كانوا قادرين على فرض قيود جديدة صارمة على نقاط قوة التفاعل بين حوالي 10^-9-10^-4  هرتز. هذا يتوافق مع كتل الجسيمات بين 10^-23-10^-18 فولت / ج².

في آخر عمل ، جيانغفنغ دو في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين في Hefei وزملاؤهم في Hefei و Nanjing بدلاً من ذلك ، حولوا انتباههم إلى مذبذب مغناطيسي. سيأتي الاكتشاف في هذه الحالة في شكل تذبذب رأسي مُحسَّن عند تردد معين يتجاوز ذلك المتوقع من الاهتزازات الحرارية المباشرة.

اثنين من المجالات الصغيرة

يتألف المذبذب - الذي لم يتم بناؤه بعد - من كرتين صغيرتين متصمتين بقضيب زجاجي عمودي رفيع. سيتم وضع الكرة العلوية ، وهي عبارة عن مغناطيس قطره 1 مم ، داخل حلقة من المغناطيس. الجزء السفلي ، وهو بارامغناطيس بنصف قطر 11 ميكرون فقط ، سيتم تعليقه فوق مجموعة أصغر من المغناطيس (انظر الشكل). عندما تتحرك الكرات المتصلة لأعلى ولأسفل ، ستتم مراقبة حركتها عن طريق قياس تشتت شعاع الليزر من الكرة العلوية.

يقول دو وزملاؤه إن حساسية المذبذب يمكن تحسينها بتغيير تردد الرنين الخاص به. تكمن الفكرة في تحريك المغناطيس السفلي لأعلى ولأسفل ، مع تغيير المسافة بينه وبين الكرة السفلية. قد تعني المسافات الأصغر تدرجات مغناطيسية أعلى ، والتي بدورها ستنتج ترددات طنين أقل. وبهذه الطريقة يمكنهم فحص الترددات بين 0.1-100 هرتز.

أوضح الباحثون أن التجارب ستشمل مراقبة حركة المذبذب بشكل مستمر لما يزيد قليلاً عن يوم واحد في كل مرة ، ومسح تردد الرنين عبر النطاق أثناء قيامهم بذلك. بتكرار هذه العملية حوالي 100 مرة ، حسبوا أنهم يجب أن يكونوا قادرين على دفع الحد الأعلى لأسفل على قوة اقتران ALP للكتل بين 10^-16-10^-13 فولت / ج² بترتيب من حيث الحجم على الأقل مقارنة بالنتائج السابقة.

تقليل الضوضاء

قد يتضمن هذا الاستغناء عن مصادر الضوضاء المختلفة. سيحد من الاهتزازات غير المرغوب فيها من خلال نظام تعليق متعدد المراحل ويقلل من الضوضاء الحرارية من خلال التشغيل عند 30 ميللي كلفن فقط. كما أنه سيقلل من ضوضاء القياس في شكل عيوب الكاشف وتقلبات ضغط الليزر. يقر الباحثون بأن نظام التعليق لا يمكنه تصفية الموجات الزلزالية وقوى المد والجزر والتداخلات الأخرى منخفضة التردد ، لكنهم يتطلعون للتعامل مع هذا من خلال الاستفادة بشكل أفضل من الاهتزازات النشطة لإلغاء الضوضاء.

يعزز الضوء المنضغط البحث عن أكسيونات المادة المظلمة

علاوة على ذلك ، يقولون إنه يجب أن يكون من الممكن توسيع البحث عن ALPs من خلال استخدام مصفوفة مستشعرات - مما يعزز الحساسية من خلال الجذر التربيعي لعدد الكواشف على الأقل.

ديفيد مور من جامعة ييل في الولايات المتحدة متحمس للبحث الجديد ، واصفًا إياه بأنه "اقتراح جيد" لاستخدام المستشعرات الميكانيكية للبحث عن المادة المظلمة. لكنه يؤكد مدى صعوبة التخلص من الضوضاء ، حيث اضطر نفسه إلى محاربة أصغر الاهتزازات عند البحث عن المادة المظلمة باستخدام كتلة صغيرة يتم رفعها بصريًا. يتذكر قائلاً: "نشأت بعض أحداث الخلفية من مجرد وجود أشخاص في الغرفة يتحدثون".

تم وصف البحث في رسائل الفيزياء الصينية.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• تمويل EVM. واجهة موحدة للتمويل اللامركزي. الوصول هنا.
• مجموعة كوانتوم ميديا. تضخيم IR / PR. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء بيانات Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/tiny-levitating-spheres-could-join-the-hunt-for-dark-matter/