نجح باحثون في معهد وايزمان في تحديد طريقة جديدة للكشف عن تغيرات طفيفة في ترددات النوى الذرية، وهي الطريقة التي قد تؤدي إلى اكتشاف المادة المظلمة، حتى قبل اكتمال تطوير الساعة النووية.
منذ ما يقرب من قرن، يبحث العلماء حول العالم عن المادة المظلمة - وهي مادة غير مرئية ضرورية لتفسير العديد من الظواهر الفيزيائية، ويُعتقد أنها تُشكل 80% من كتلة الكون. وقد جُرِّبت العديد من الطرق لاكتشافها - بدءًا من محاولة إنتاجها في مُسرِّع جسيمات وصولًا إلى البحث في الفضاء عن الأشعة الكونية المنبعثة منها - وما زال يُعرَف عنها القليل جدًا. ورغم أنها تعمل في الظلام، يُفترض أن تؤثر المادة المظلمة على المادة المرئية، إلا أن هذا التأثير أضعف من أن يُقاس اليوم.
يتوقع العلماء أنه في حال تطوير ساعة نووية، تستخدم نواة الذرة لقياس الوقت بدقة وثبات، في المستقبل، فإن انحرافات طفيفة في عقاربها قد تكشف عن هذا التأثير. في العام الماضي، حقق فيزيائيون من ألمانيا وكولورادو تقدمًا كبيرًا في تطوير ساعة نووية تعتمد على مادة الثوريوم-229 المشعة. وعندما سمعوا بالنتائج في مجلة البروفيسور... جلعاد بيريز في معهد وايزمان للعلوم، أدركوا أنه حتى قبل بناء الساعة النووية، برزت فرصة جديدة للبحث عن المادة المظلمة. في الورقة البحثية،نشرت مؤخرا في المجلة العلمية مراجعة البدنية Xبالتعاون مع علماء من ألمانيا، قدموا طريقة جديدة لاكتشاف تأثير المادة المظلمة ودراسة خصائصها بدقة أعلى من أي وقت مضى.
عندما يُدفع طفل على أرجوحة، يكون هناك تردد تذبذب معين يسمح بتذبذب ثابت ومثالي، لأعلى ولأسفل إلى الأرض - إذا دفعنا الأرجوحة بتردد أعلى أو أقل، فستتحرك أقل، وستكون حركتها غير متسقة، وستُهدر بعض الطاقة. ومثل الأرجوحة، فإن للنواة الذرية أيضًا تردد تذبذب مثالي، يُعرف في الفيزياء باسم تردد الرنين؛ حيث "يهتز" الإشعاع عند هذا التردد النواة جيدًا بين حالتين كموميتين - حالة أرضية وحالة عالية الطاقة. في جميع المواد تقريبًا، يكون تردد الرنين للنوى الذرية مرتفعًا ويتطلب إشعاعًا قويًا جدًا لتأرجحها. في عام 1976، اكتُشف أن نواة الثوريوم-229 الذرية - وهي منتج ثانوي للبرنامج النووي الأمريكي - غير عادية. يتوافق تردد تذبذبها الطبيعي مع إشعاع فوق بنفسجي ضعيف نسبيًا، والذي يمكن أن ينبعث من ليزر تقليدي. وهكذا أصبح الثوريوم-229 مرشحاً واعداً لتجميع آلية الساعة النووية، التي يتم فيها قياس الزمن عن طريق "تذبذب" النواة الذرية بين الحالات الكمية، كما لو كانت بندولاً.
دقة أعلى بمقدار 100 ألف مرة في البحث عن المادة المظلمة
ومع ذلك، فقد تعثر تطوير الساعة النووية في المرحلة الأولى، والتي تطلبت توقيتًا دقيقًا لتردد الرنين الذي يتذبذب عنده الثوريوم-229. عندما يبحث الفيزيائيون عن تردد الرنين لنواة ذرية، فإنهم يسلطون ليزرًا عليها بترددات مختلفة ويقيسون في كل مرة مقدار الطاقة التي تم امتصاصها واستخدامها للتذبذب بين الحالات الكمية. في نهاية كل تجربة، يؤلفون طيف امتصاص، والإشعاع الذي تم الحصول على ذروة الامتصاص عنده هو في الواقع تردد الرنين المقدر. لمدة خمسة عقود تقريبًا، لم تكن قياسات تردد الرنين للثوريوم-229 دقيقة بما يكفي لتطوير ساعة نووية. في العام الماضي، كانت هناك قفزتان في هذا المجال: أولاً، نشرت مجموعة من معهد PTB في براونشفايغ، ألمانيا، قياسات دقيقة نسبيًا، وبعد بضعة أشهر، قدمت مجموعة من جامعة كولورادو نتائج كانت أكثر دقة بملايين المرات.
يوضح البروفيسور بيريز قائلاً: "لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من الدقة في القياسات لتطوير ساعة نووية، لكننا أدركنا بالفعل أن هناك فرصة سانحة في هذه المرحلة لدراسة المادة المظلمة". ويضيف: "في كونٍ لا توجد فيه سوى المادة المرئية، دون وجود المادة المظلمة في الخلفية، لا تتغير الظروف الفيزيائية وأطياف الامتصاص لأي مادة. ومع ذلك، فنظرًا لوجود المادة المظلمة المحيطة بنا، فإنها قد تُغير كتلة النوى الذرية، وبالتالي تُسبب تغيرات مؤقتة في أطياف امتصاصها. ووفقًا لنموذج نظري رائد، تتكون المادة المظلمة من عدد لا يُحصى من الجسيمات فائقة الخفة التي تُسبب تغيرات دورية دقيقة للغاية في كتلة النوى الذرية. لذلك، افترضنا أن إمكانية تحديد انحرافات طيف امتصاص الثوريوم-229 بدقة عالية قد تُلقي الضوء على تأثير المادة المظلمة وتكشف عن خصائصها".
أظهرت الحسابات النظرية التي أجراها فريق العلماء، بقيادة الدكتور ولفرام راتزينجر من مجموعة البروفيسور بيريز البحثية، إمكانية رصد أدلة على تأثير المادة المظلمة في القياسات الجديدة، حتى وإن كانت أصغر بمئة مليون مرة من تأثير الجاذبية، التي تُعتبر ضعيفة نسبيًا، ولا نكاد نشعر بها في حياتنا اليومية. ويوضح الدكتور راتزينجر: "هذا مجال لم يُبحث فيه عن المادة المظلمة بعد". تُظهر حساباتنا أنه لا يكفي البحث عن انحرافات في تردد الرنين، بل رصد التغيرات في طيف الامتصاص بأكمله للكشف عن تأثير المادة المظلمة. ورغم أننا لم نرصد هذه التغيرات بعد، فقد هيأنا الأرضية لفهمها في حال اكتشافها. عند ظهور انحراف في القياسات، سنتمكن من تحليل كتلة جسيم المادة المظلمة المسبب له، بناءً على تردد ظهوره وشدته. في الدراسة التالية، حسبنا كيف ينبغي أن يؤثر كل نموذج من نماذج المادة المظلمة على طيف امتصاص الثوريوم-229، ونأمل أن يُمكّننا هذا من تحديد النماذج الصحيحة وخصائص المادة المظلمة مستقبلًا.
في هذه الأثناء، تواصل المختبرات حول العالم محاولاتها لقياس التردد الرنيني لذرة الثوريوم-229 بدقة أكبر، وهو جهد يُتوقع أن يستغرق سنوات. في حال تطوير ساعة نووية، يُتوقع أن تُحدث ثورة في العديد من المجالات، بما في ذلك الملاحة على الأرض وفي الفضاء، والاتصالات، وشبكات الطاقة، والبحث العلمي. اليوم، تُعدّ الساعة الذرية أدقّ الساعات، حيث تعتمد آليتها على تذبذب الإلكترون بين حالتين كموميتين. هذه الساعة دقيقة للغاية، إلا أن لها عيبًا واحدًا، وهو أنها عرضة للتداخل الكهربائي في البيئة وفقدان الاتساق. أما نواة الذرة، فهي أكثر حماية من التداخل.
