يشتهر مُصادم الهادرونات الكبير (Large Hadron Collider/LHC) بالبحث عن بوزون هيجز واكتشافه، ولكن في السّنوات العشر التي تلت، صادمت الآلة البروتونات بطاقةٍ أعلى ممّا سبق تحقيقه في مُعجّل الجُسيمات، واستخدم الباحثون ذلك لمحاولة اصطياد جُسيمٍ مثيرٍ بنفس القدر: «الجُسيم الافتراضيّ» الّذي قد يكوّن شكلًا غير مرئيٍّ من المادّة يُسمّى «المادّة المظلمة»، وهي أكثر انتشارًا بخمس مرّاتٍ من المادّة العاديّة، وبدون المادّة المظلمة لن يكون هناك كونٌ كما نعرفه.
وجاءت عمليّات البحث عن المادّة المُظلمة في مصادم الهادرونات الكبير خاوية الوفاض حتّى الآن، كما هو الحال في عمليّات البحث الّتي تستخدم طرقًا أخرى غير مصادَمة الجسيمات، لكنّ العمل الرّائع والمهارة الّتي بذلها باحثو المصادم في العثور عليها، دفعتهم إلى تضييق العديد من المناطق الّتي قد يكون الجُسيم مخفيًّا فيها؛ وتلك خطواتٌ ضروريّةٌ على طريق الاكتشاف.

يقول تيم تايت، عالِم المادة المُظلمة النّظريّ من جامعة كاليفورنيا في إيرفين، وممثّلٌ عن النّظريّين في مجموعة عمل المادة المُظلمة في المصادم:

«قبل مصادم الهادرونات الكبير، كانت مساحة احتمالات المادة المظلمة أوسع بكثيرٍ ممّا هي عليه اليوم.»

ويوضّح قائلًا:

«شقّ المصادم حقًّا طريقًا جديدةً في البحث عن المادة المظلمة في شكل الجُسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل. وذلك من خلال تغطية مجموعةٍ واسعةٍ من الإشارات المتوقّع حدوثها عند إنتاج مادّةٍ مُظلمة، أو إنتاج الجُسيمات الّتي تتوسّط تفاعلاتها مع المادّة العاديّة. كانت جميع النّتائج المرصودة متوافقةً مع النّماذج الّتي لا تتضمّن المادّة المُظلمة، ما يعطينا معلوماتٍ مهمّةً حول أنواع الجُسيمات الّتي لم تعد قابلةً للاستخدام كتفسيرٍ للمادة المظلمة. وقد وجّهَت النّتائج التّجريبيّين في اتّجاهاتٍ جديدةٍ للبحث عن المادة المظلمة، ودفعت النّظريّين إلى إعادة التّفكير في التّصوّرات الحاليّة لما يُمكن أن تكون عليه المادة المظلمة، وفي بعض الحالات، إلى ابتكار تصوّراتٍ جديدةٍ.»

الإنشاء والتدمير والاهتزاز

للبحث عن المادّة المُظلمة، هناك أنواعٌ مختلفةٌ من التّجارب، تحاول رصد آثار العمليّات المختلفة على جسيمات المادّة المظلمة؛ وهي: إنشاؤها، أو تدميرها، أو اهتزازاتها. فأمّا إنشاؤها، فهي التّجارب الّتي يُحاول فيها المصادم صُنع جسيمات مادّةٍ مظلمةٍ عن طريق مصادمة حِزمٍ من البروتونات. وأمّا تدميرها، فتستخدم بعض التّجارب التّلسكوبات في الفضاء وعلى الأرض للبحث عن إشاراتٍ غير مباشرةٍ لجُسيمات المادة المظلمة إثر اصطدامها وتفكّكها في الفضاء. ولا يزال آخرون يطاردون هذه الجُسيمات المُراوغة مباشرةً من خلال رصد اصطدامها، أو الهزّات الّتي تحدثها للنّوى الذّرّيّة في أجهزة الكشف تحت الأرض، وهو النّوع الثّالث من التّجارب.

تُعدّ تجارب الإنشاء مكمّلةً لتجارب التّدمير والاهتزاز، فإذا اكتشف المصادم جُسيمًا محتملًا للمادّة المُظلمة، سوف يتطلّب تأكيدًا من التّجارب الأخرى لإثبات أنّه بالفعل جُسيم مادّةٍ مُظلمةٍ. أمّا إذا اكتشفت التّجارب المباشرة وغير المباشرة إشارةً من تفاعل جُسيمات المادّة المُظلمة، فيمكن تصميم التّجارب في المصادم لدراسة تفاصيل مثل هذا التّفاعل.

كمية الحركة المفقودة والبحث عن الزيادات

إذن، كيف يبحث مصادم الهادرونات الكبير عن علامات نشأة المادّة المُظلمة من تصادم البروتونات؟ إنّ الدّليل الرّئيسيّ لوجود جُسيم مادّةٍ مُظلمةٍ في مثل هذه التّصادمات هو ما يُسمّى بكمّية الحركة العرضيّة المفقودة. للبحث عن هذا الدّليل، يحسب الباحثون المحصّلة الإجماليّة لكمّيّة حركة الجُسيمات الّتي تستطيع كاشفات الجسيمات في المصادم رؤيتها -بشكلٍ أكثر دقّةً، يحسبون كمّيّة الحركة في اتّجاهٍ عموديٍّ على حِزم البروتونات المتصادمة- واكتشاف أيّ كمّيّة حركةٍ مفقودةٍ عن المجموع الكلّيّ لها قبل الاصطدام. يجب أن تكون مُحصّلة كمّيّة الحركة صفرًا، لأنّ البروتونات تتحرّك على طول اتّجاه الأشعّة قبل أن تصطدم. ولكن إذا لم تكن المحصّلة الكلّيّة بعد الاصطدام صفرًا، فإنّ كمّيّة الحركة المفقودة اللّازمة لإيصالها إلى الصّفر، يمكن أن تكون قد فُقدت على شكل جُسيم مادّةٍ مُظلمةٍ (لا تستطيع كاشفات الجسيمات كشفه).

كمّيّة الحركة المفقودة هي أساس نوعين رئيسيّين من البحث في المصادم. يسترشد أحدهما بِما يُسمّى نماذج الفيزياء الجديدة الكاملة، مثل نماذج التّناظر الفائق (Supersymmetry/SUSY). تضع نماذج التّناظر الفائق لكلّ جُسيمٍ معروفٍ موصوفٍ في النّموذج القياسيّ لفيزياء الجُسيمات، جُسيمًا شريكًا فائق التّناظر، يطابقه في خصائصه عدا خاصّيّةٍ كموميّةٍ تسمّى الدّوران (spin)، يختلف فيها عن نظيره بنصف وحدةٍ. بالإضافة إلى ذلك، في العديد من نماذج التّناظر الفائق، يكون أخفّ النّظيرين في التّناظر الفائق جُسيمًا من نوع الجُسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل (Weakly Interacting Massive Particle/WIMP).

وتعدّ الجُسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل واحدةً من أكثر المرشّحات الواعدة لتفسير المادة المظلمة، لأنّها نموذجٌ جيّدٌ قد يفسّر الوفرة الحاليّة من المادّة المُظلمة في الكون. وتحاول عمليّات البحث الّتي تستهدف تلك الجسيمات وفقًا لنماذج التّناظر الفائق، رصد أيّ كمّيّة حركةٍ مفقودةٍ تعود إلى زوجٍ من جُسيمات المادّة المُظلمة، بالإضافة إلى رصد اﻷمرين التّاليين، أحدهما أو كليهما: دفقٌ (jet) من الجُسيمات، وجُسيماتٌ تُدعى اللّبتونات (Leptons).

نوعٌ آخر من أنواع البحث الّتي تنبني على إيجاد كمّيّة الحركة المفقودة، يسترشد بنماذج مبسّطةٍ تتضمّن جُسيم مادّةٍ مُظلمةٍ شبيهًا بالجسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل، وجُسيمًا وسيطًا يتفاعل مع الجُسيمات العاديّة المعروفة. قد يكون الوسيط جُسيمًا معروفًا، مثل بوزون زي (Z) أو بوزون هيجز، أو جُسيمًا غير معروفٍ. ازدادت هذه النّماذج شهرةً وانتشارًا في السّنوات الأخيرة لأنّها بسيطةٌ جدًّا ولكنّها عامّةٌ في طبيعتها (مقارنةً بالنّماذج الكاملة، فهي محدّدةٌ، وبالتّالي أضيق نطاقًا) ويمكن استخدامها كمعايير للمقارنة بين نتائج تجارب المادة المظلمة في المُصَادِم، والتّجارب الّتي لا تستخدم المُصادم. بالإضافة إلى إيجاد كمّيّة الحركة المفقودة لزوجٍ من جُسيمات المادّة المُظلمة، يحاول هذا النّوع الثّاني من البحث إيجاد شيءٍ -واحدٍ على الأقلّ- عالي الطّاقة مثل دفقٍ من الجُسيمات أو فوتونًا.

وفي سياق النّماذج المُبسّطة، هناك بديلٌ لعمليّات البحث عن كمّيّة الحركة المفقودة، وهو البحث، ليس عن جُسيم المادّة المُظلمة، ولكن عن الجُسيم الوسيط من خلال تحوّله، أو اضمحلاله (decay)، إلى جُسيماتٍ عاديّةٍ. يبحث هذا الأسلوب عن زيادةٍ في اﻷحداث في بيانات التّصادم، مقارنةً باﻷحداث المتوقّعة مسبقًا. مثل حدوث زيادةٍ في توزيع الكتلة للأحداث في رصد دفقين من الجسيمات أو لبتونين.

تضييق نطاق البحث عن الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل

ما النّتائج الّتي حقّقتها تجارب المُصَادِم من عمليّات البحث تلك، عن الجسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل؟ الإجابة المختصرة هي أنّهم لم يعثروا بعد على إشاراتٍ لجسيمات المادّة المُظلمة من هذا النّوع. الإجابة الأطول هي أنّهم استطاعوا استبعاد مساحاتٍ كبيرةٍ من الاحتمالات النّظريّة لإيجاد الجسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل، ووضعوا قيودًا قويّةً على القِيم المسموح بها لخصائص جُسيم المادة المظلمة والجُسيم الوسيط، مثل كتلتيهما وقوّة التّفاعل مع الجُسيمات الأخرى. تقول كاترينا دوجليوني، عضوةٌ في مجموعة تجربة أطلس (ATLAS)، تلخيصًا لنتائج التّجارب في المصادم:

«لقد أكملنا عددًا كبيرًا من العمليّات المخصّصة للبحث عن الجُسيمات، المرئيّة منها وغير المرئيّة، الّتي قد تظهر في عمليّاتٍ تتضمّن المادّة المُظلمة، وقد فسّرنا نتائج عمليّات البحث هذه من خلال نماذج نظريّةٍ مختلفةٍ لجسيمات المادّة المظلمة المحتملة، من نوع الجسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل، من النّماذج المُبسّطة إلى نماذج التّناظر الفائق. استفاد هذا العمل من التّعاون بين التّجريبيّين والنّظريّين، على سبيل المثال، على منصّات المناقشة مثل مجموعة عمل المادة المظلمة في المصادم، والّتي تضمّ نظريّين، وممثّلين من مجموعات التّجارب: أطلس، وملف المِيُوَان المضغوط (CMS)، ومصادم الهادرونات الكبير للبحث عن الجمال (LHCb). وكان وضْع نتائج المصادم في السّياق العالميّ للبحث عن الجسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل، محورًا للمُناقشة، أيضًا، في مجتمع المادّة المظلمة، ويتضمّن ذلك تجارب الكشف المباشر وغير المباشر. وتستمرّ المناقشة حتّى الآن حول أفضل طريقةٍ لاستغلال التّآزر بين التّجارب المُختلفة الّتي لها نفس الهدف العلميّ لإيجاد المادّة المُظلمة.»

لإعطاء مثالٍ محدّدٍ لنتيجةٍ وُجِدت باستخدام بياناتٍ من تجربة أطلس، يسلّط بريسيلا باني، ممثّلٌ عن تجربة أطلس في مجموعة عمل المادّة المُظلمة في المصادم، الضّوء على ما قامت به مجموعته مؤخّرًا من البحث في مجموعة بيانات المصادم الكاملة، الخاصّة بالتّشغيل الثّاني للجهاز (Run 2)، الّتي جُمِعَت بين عامي 2015 و2018، للبحث عن الحالات الّتي قد يتحلّل فيها بوزون هيجز إلى جُسيمات مادّةٍ مُظلمةٍ. يقول باني:

«لم نعثر على حالاتٍ لهذا النّوع من التّحلّل، لكنّنا تمكنّا من وضع أقوى القيود حتّى الآن على احتماليّة حدوثه.»

يسلّط فيل هاريس، ممثّلٌ عن تجربة ملف المِيُوَان المضغوط في مجموعة عمل المادّة المُظلمة في المصادم، الضّوء على عمليّات البحث عن جسيماتٍ وسيطةٍ تتحلّل إلى دفقين من الجسيمات، مثل بحثهم الأخير استنادًا إلى بيانات التّشغيل الثّاني.

يقول هاريس: «إنّ تجارب البحث عن الجسيمات المتحلّلة إلى دفقين، أو ما تُسمّى ببحوث الدّفقين (dijet searches)، حاسمةٌ جدًّا لأنّها تستطيع أن تستقصي مجموعةً كبيرةً من كتل الجسيمات الوسيطة ودرجات قوّة التّفاعل.»

يشير زابيير سِد فيدال، ممثّلٌ عن تجربة مصادم الهادرونات الكبير للبحث عن الجمال في مجموعة عمل المادة المظلمة في المصادم، بدوره إلى حقيقة أنّ بيانات تحلّل الجُسيمات المعروفة باسم ميزون بي إس (Bs meson)، من التّشغيل اﻷوّل والتّشغيل الثّاني، قد مكّنت مجموعة التّجربة من وضع قيودٍ قويّةٍ على نماذج التّناظر الفائق الّتي تحوي جسيماتٍ ضخمةٍ ضعيفة التّفاعل. يقول سِد فيدال:

«إنّ تحلّل ميزون بي إس إلى ميُوَانين حسّاسٌ للغاية لجُسيمات نماذج التّناظر الفائق، وهذا يتضمّن الجسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل في هذه النّماذج، لأنّ التّردّد الّذي يحدث به التّحلّل يمكن أن يكون مختلفًا تمامًا عن التّردّد الّذي يتنبّأ به النّموذج القياسيّ إذا كانت جُسيمات نماذج التّناظر الفائق تتداخل مع عمليّة التّحلّل، حتّى لو كانت كُتلها مُرتفعةً جدًّا بحيث لا يمكن اكتشافها مباشرةً في المصادم.»

توسيع دائرة الاحتمالات

يقول تايت: «قبل عشر سنواتٍ، كانت التّجارب، سواءً في مصادم الهادرونات الكبير وغيره، تبحث عن جُسيمات المادّة المُظلمة بكُتلٍ تفوق كتلة البروتون: 1 جيجا إلكترون فولتٍ (GeV)، ولا تتعدّى بعض التّيرا إلكترون فولتاتٍ (TeV). أي أنّهم كانوا يستهدفون الجسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل الكلاسيكيّة مثل تلك الّتي تتنبّأ بها نماذج التّناظر الفائق.أمّا اﻵن، تبحث تجارب المادة المظلمة عن أشباهٍ للجُسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل بكتلٍ قد تنخفض إلى حوالي 1 ميجا إلكترون فولتٍ (MeV)، وقد تعلو إلى 100 تيرا إلكترون فولتٍ».
ويتابع قائلًا: «وألهمت النّتائج الصّفريّة لعمليّات البحث، كما هو الحال في المصادم، العديد من التّفسيرات المُحتملة الأخرى لطبيعة المادة المظلمة، بدءًا من المادّة المُظلمة الضّبابيّة المكوّنة من جُسيماتٍ ذات كتلٍ منخفضةٍ تصل إلى 10-22 إلكترون فولتٍ (eV)، إلى الثّقوب السّوداء البدائيّة ذات الكتلة المكافئة لعدّة شموسٍ. في ضوء ذلك، بدأ مُجتمع المادّة المُظلمة بتوسيع دائرة البحث لاستكشاف مساحةٍ أكبر من الاحتمالات.»

على جبهة المصادم، بدأ الباحثون فيه بالتّحقق من بعض هذه الاحتمالات الجديدة. على سبيل المثال، بدأوا في تقييم الفرضيّة القائلة بأنّ المادّة المُظلمة هي جزءٌ ضمن قطاعٍ مظلمٍ يحوي عدّة أنواعٍ جديدةٍ من الجُسيمات المُظلمة. يمكن أن تشتمل جُسيمات القطاع المُظلم هذه على جسيم مادّةٍ مُظلمةٍ مكافئٍ للفوتون، فوتونٍ مُظلمٍ، ويتفاعل مع جُسيمات القطاع المُظلم الأخرى بالإضافة إلى الجُسيمات المعروفة، كما قد تشتمل أيضًا على جُسيماتٍ طويلة العمر، والّتي تتنبّأ بها أيضًا نماذج التّناظر الفائق.

تقول دوجليوني:

«توفّر سيناريوهات القطاع المُظلم مجموعةً جديدةً من الأهداف التّجريبيّة، وبالتّالي ساحةً جديدةً لفيزيائيّي مصادم الهادرونات الكبير».

وتوضّح قائلةً:

«نحن الآن نضيف إلى الأساليب التّجريبيّة الّتي نعرفها، حتّى نتمكّن من اكتشاف إشاراتٍ نادرةٍ وغير عاديّةٍ مدفونةٍ في رحاب اﻷنماط المألوفة. علاوةً على ذلك، تستهدف أعدادٌ من التّجارب الأخرى، الحاليّة والمخطّط لها أيضًا، القطاعات المُظلمة وجُسيماتٍ تتفاعل بشكلٍ أضعف من الجسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل. بعض هذه التّجارب، مثل تجربة فيزر (FASER) المُعتمَدة حديثًا، تتشارك المعرفة والتّكنولوجيا، مع تجارب المصادم الرّئيسيّة. حتّى إنّها تتشارك معها أيضًا في المجمّع الخاصّ بمعجّل الجسيمات. وستكون معاونةً لعمليّات البحث، في المصادم، عن المادّة المظلمة في غير الجسيمات الضّخمة ضعيفة التّفاعل، كما يظهر من مبادرة مختبر سِرن (CERN) لفيزياء ما دون المصادمات.»

وأخيرًا، لا يزال باحثو مصادم الهادرونات الكبير يعملون على بياناتٍ من التّشغيل الثّاني. والبيانات الّتي جُمعت حتّى الآن، من التّشغيلين اﻷوّل والثّاني، تمثّل 5٪ فقط من الإجماليّ الّذي ستسجّله التّجارب. بالنّظر إلى هذا، وبالإضافة إلى المعرفة الهائلة المكتسبة من العديد من التّحليلات الّتي أجراها المصادم حتّى الآن، ربّما تكون هناك فُرصة نضالٍ في أن يكتشف المصادم جُسيم مادّةٍ مُظلمةٍ في السّنوات العشر القادمة. يقول هاريس: «إنّ حقيقة أنّنا لم نعثر عليها بعد وإمكانيّة أن نجدها في المستقبل غير البعيد هي الّتي تجعلني متحمّسًا لعملي». ويقول سِيد فيدال: «لقد أظهرت لنا السّنوات العشر الماضية أنّ المادة المظلمة قد تكون مُختلفةً عمّا كنّا نظنّ في البداية، لكنّ هذا لا يلغي فرصتنا في اكتشافها.»

بينما يقول باني:

«لن نألوَ جهدًا في بحثنا، مهما كلّفنا من الوقت والجهد».