اِكْتِشَافُ أَشِعَّةِ \(\gamma\)، والأَنْتِيبْرُوتُونَاتِ وَالبُوزِيتْرُونَاتِ النَّاتِجَةِ عَنِ التَّلَاشِي الزَّوْجِي لِجُسَيْمَاتِ المَادَّةِ المُظْلِمَةِ فِي هَالَةِ دَرْبِ التَّبَّانَةِ هُوَ تِقْنِيكَةٌ غَيْرُ مُبَاشِرَةٍ قَابِلَةٌ لِلتَّطْبِيقِ لِلبَحْثِ عَن تَوَاقِيعِ المَادَّةِ المُظْلِمَةِ الفَائِقَةِ التَّمَاثُلِ، حَيْثُ يَكْمُنُ التَّحَدِّي الأَكْبَرُ فِي التَّمْيِيزِ بَيْنَ الإِشَارَةِ وَالخَلْفِيَّةِ النَّاتِجَةِ عَنْ آلِيَّاتِ الإِنْتَاجِ القِيَاسِيَّةِ. البَيَانَاتُ الجَدِيدَةُ لِلأَنْتِيبْرُوتُونِ مِن PAMELA مُتَوَافِقَةٌ مَعَ الإِنْتَاجِ الثَّانَوِي القِيَاسِي، وَهَذَا يُمَكِّنُنَا مِن تَقْيِيدِ المُسَاهَمَةِ الغَرِيبَةِ فِي الطَّيْفِ بِسَبَبِ تَلَاشِي النِّيُوتْرَالِينُو. بِشَكْلٍ خَاصٍّ، نُبَيِّنُ أَنَّهُ فِي إِطَارِ الجَاذِبِيَّةِ الفَائِقَةِ الدُّنْيَا (mSUGRA)، فِي سِينارْيُو هَالَةٍ مُتَكَتِّلَةٍ (بِعَامِلِ تَكَتُّلِ \(\geq\) 10) وَلِقِيَمٍ كَبِيرَةٍ مِن \(\tan(\beta)\geq 55\)، يُسْتَبْعَدُ مُعْظَمُ فَضَاءِ المُعَلَّمَاتِ المُسْمُوحِ بِهِ وَفْق WMAP.
مِنْ جِهَةٍ أُخْرَى، تُظْهِرُ بَيَانَاتُ نِسْبَةِ البُوزِيتْرُونِ مِن PAMELA فَائِضًا لَا يُمْكِنُ تَفْسِيرُهُ بِالإِنْتَاجِ الثَّانَوِي. PPB-BETS وَ ATIC أَبْلَغَتَا عَنْ مِيزَةٍ فِي طَيْفِ الإِلِكْتْرُونِ عِنْدَ بَضْعِ مِئَاتٍ مِن GeV. يَبْدُو أَنَّ هَذِهِ الفَوَائِضَ مُتَّسِقَةٌ وَتُشِيرُ إِلَى مَصْدَرٍ، تَقْلِيدِي أَوْ غَرِيب، لِمُكَوِّنٍ إِضَافِيٍّ لَيْبْتُونِيٍّ.
هُنَا نُنَاقِشُ حَالَةَ البَحْثِ غَيْرِ المُبَاشِرِ عَنِ المَادَّةِ المُظْلِمَةِ وَآفَاقَ تَجَارِبِ PAMELA وَتِلِسْكُوبِ فَضَاءِ أَشِعَّةِ \(\gamma\) Fermi.
تَجْرِبَةُ PAMELA (حَمُولَةُ اسْتِكْشَافِ الْمَادَّةِ الْمُضَادَّةِ وَعِلْمِ الْفَلَكِ النَّوَوِيِّ الْخَفِيفِ) هِيَ جِهَازٌ مَحْمُولٌ عَلَى قَمَرٍ صِنَاعِيٍّ مُصَمَّمٌ لِدِرَاسَةِ الجُسَيْمَاتِ الْمَشْحُونَةِ فِي الإِشْعَاعِ الْكَوْنِي مَعَ تَرْكِيزٍ خَاصٍّ عَلَى الجُسَيْمَاتِ الْمُضَادَّةِ (الأَنْتِي بْرُوتُونَاتِ وَالْبُوزِيتْرُونَاتِ) (PAM). تُعْرَضُ بَيَانَاتُ الأَنْتِي بْرُوتُونِ مِنْ PAMELA (Pam_antip) مَعَ تَدَفُّقِ الأَنْتِي بْرُوتُونِ الْمُتَوَقَّعِ مِنَ الإِنْتَاجِ الثَّانَوِي القِيَاسِي. يُحْسَبُ انْتِشَارُ الأَشِعَّةِ الْكَوْنِيَّةِ وَإِنْتَاجُ الجُسَيْمَاتِ الثَّانَوِيَّةِ وَالنُّظَائِرِ بِاسْتِخْدَامِ كُودِ GALPROP (galprop). تَظْهَرُ حُدُودُ التَّدَفُّقِ الدُّنْيَا وَالقُصْوَى كَمَا هِيَ مُحَسَّبَةٌ فِي النَّمَاذِجِ مَعَ مَعَايِيرِ انْتِشَارٍ مُخْتَلِفَةٍ مُضَبَّطَةٍ لِتَتَنَاسَبَ مَعَ نِسْبَةِ البُورُونِ إِلَى الكَرْبُونِ فِي الأَشِعَّةِ الْكَوْنِيَّةِ (SM134, SM2, jcap, ptuskin). تَتَوَافَقُ بَيَانَاتُ الأَنْتِي بْرُوتُونِ الَّتِي جَمَعَتْهَا PAMELA (Pam_antip) وَBESS (bess) مَعَ بَعْضِهَا وَمَعَ التَّنَبُّؤَاتِ لِتَدَفُّقِ الأَنْتِي بْرُوتُونِ الثَّانَوِي، وَبِالتَّالِي يُسْتَبْعَدُ وُجُودُ إِشَارَةٍ قَوِيَّةٍ لِلأَنْتِي بْرُوتُونِ مِنَ الْعَمَلِيَّاتِ الغَرِيبَةِ.
يُجْرَى الشَّكْلُ فِي إِطَارِ الجَاذِبِيَّةِ الفَائِقَةِ الدُّنْيَا بِتَثْبِيتِ المُعَلَّمَاتِ الأَقَلَّ حَسَاسِيَّةً \(A_{0}\)، \(\tan \beta\) وَ \({\rm sign} (\mu) = +1\)، وَفِي حَالَةِ عَامِلِ تَكَتُّلِ 10 وَ \(\tan(\beta)=55\). وَفْقًا لِلتَّحْلِيلِ فِي (jcap)، يُمْكِنُ اسْتِبْعَادُ المِنْطَقَةِ أَدْنَى الْخَطِّ بِالِاسْتِنَادِ إِلَى بَيَانَاتِ الأَنْتِي بْرُوتُونِ. لِقِيمَةٍ أَكْبَرَ مِن tan(\(\beta\))، يَكُونُ المَجَالُ المُسْتَبْعَدُ لِلمُعَلَّمَاتِ أَكْبَرَ، بَيْنَمَا لِلْقِيَمِ الأَقَلَّ، تَكُونُ قُدْرَةُ تَدَفُّقِ الأَنْتِي بْرُوتُونَاتِ عَلَى اسْتِكْشَافِ سِينارْيُو الجَاذِبِيَّةِ الفَائِقَةِ الدُّنْيَا ضَعِيفَةً جِدًّا (jcap, ICHEP).
يُمْكِنُ مُقَارَنَةُ هَذِهِ النَّتِيجَةِ مَعَ التَّقْدِيرَاتِ الْمُسْتَنِدَةِ إِلَى حَسَاسِيَّةِ Fermi لِمُدَّةِ خَمْسِ سَنَوَاتٍ لِفُوتُونَاتِ إِبَادَةِ WIMP (الطَّيْفِ الْمُسْتَمِرِّ) مِنْ مَرْكَزِ الْمَجَرَّةِ كَمَا هُوَ مُوَضَّحٌ فِي الشَّكْلِ (susy). الشَّرِيطُ الأَحْمَرُ هُوَ المِنْطَقَةُ الْمَسْمُوحُ بِهَا كَوْنِيًّا بِوَاسِطَةِ WMAP (WMAP)؛ المِنْطَقَةُ فَوْقَ الْخَطِّ الأَزْرَقِ (\(M_{WIMP} \sim 200\) GeV) غَيْرُ مَرْئِيَّةٍ بِوَاسِطَةِ Fermi بِسَبَبِ كُتْلَةِ WIMP الأَعْلَى كُلَّمَا انْتَقَلْنَا إِلَى \(M_{1/2}\) أَعْلَى. المَلَفُّ الشَّخْصِيُّ لِهَالَةِ المَادَّةِ المُظْلِمَةِ المُسْتَخْدَمُ لِتَقْدِيرِ حَسَاسِيَّةِ البَحْثِ غَيْرِ المُبَاشِرِ لِـ Fermi هُوَ مَلَفُّ Navarro، Frank وَWhite (NFW) الْمُقَطَّعِ. أَمَّا لِمَلَفَّاتِ الهَالَةِ الأَكْثَرِ حِدَّةً (مِثْلُ مَلَفِّ Moore)، فَتَنْتَقِلُ حُدُودُ Fermi لِلْأَعْلَى، مُغَطِّيَةً مِنْطِقَةَ WMAP الْمَسْمُوحَ بِهَا بِشَكْلٍ أَوْسَعَ، بَيْنَمَا لِلْمَلَفِّ الشَّخْصِيِّ الأَقَلِّ حِدَّةً (مِثْلُ المَلَفِّ الشَّخْصِيِّ الحَرَارِيِّ)، تَنْتَقِلُ حُدُودُ Fermi لِلْأَسْفَلِ، مُغَطِّيَةً مِنْطِقَةَ WMAP الْمَسْمُوحَ بِهَا بِشَكْلٍ أَقَلَّ. حُدُودُ مُسَرِّعِ LHC مِنْ (Baer).
عَلَى عَكْسِ بَيَانَاتِ نِسْبَةِ الأَنْتِي بْرُوتُونِ إِلَى البْرُوتُونِ، تُظْهِرُ بَيَانَاتُ نِسْبَةِ البُوزِيتْرُونِ مِن PAMELA (Pam_pos) زِيَادَةً فَوْقَ \(\sim\)10 GeV لَا يُمْكِنُ تَفْسِيرُهَا بِالإِنْتَاجِ الثَّانَوِي (SM134, jcap). نُلَاحِظُ أَنَّ التَّغْيِيرَ فِي بَيَانَاتِ نِسْبَةِ البُوزِيتْرُونِ أَدْنَى \(\sim\)10 GeV قَدْ يَكُونُ بِسَبَبِ تَأْثِيرِ النَّشَاطِ الشَّمْسِي (clem) وَتَغْيِيرٍ فِي قُطْبِيَّةِ المَجَالِ المَغْنَاطِيسِي الشَّمْسِي مُقَارَنَةً بِالدَّوْرَةِ السَّابِقَةِ. الإغْرَاءُ لِلاِدِّعَاءِ بِاكْتِشَافِ المَادَّةِ المُظْلِمَةِ قَوِيٌّ، وَلَكِنْ هُنَاكَ مَصَادِرُ فَلَكِيَّةٌ مُنَافِسَةٌ، مِثْلُ النُّجُومِ النَّابِضَةِ، الَّتِي يُمْكِنُ أَنْ تُعْطِيَ تَدَفُّقًا قَوِيًّا لِلبُوزِيتْرُونَاتِ وَالإلِكْتْرُونَاتِ الأَوَّلِيَّةِ (puls, coutu, posAn).
تَأْكِيدٌ مُسْتَقِلٌّ بِأَنَّ هُنَاكَ شَيْئًا مَثِيرًا لِلاهْتِمَامِ يَحْدُثُ مَعَ اللِّيبْتُونَاتِ فِي الأَشِعَّةِ الكَوْنِيَّةِ جَاءَ مِنْ قِيَاسَاتِ الإلِكْتْرُونَاتِ عَالِيَةِ الطَّاقَةِ. لَمْ يُقَسْ تَدَفُّقُ الإلِكْتْرُونَاتِ الكَوْنِيَّةِ بِشَكْلٍ جَيِّدٍ فِي الْمَاضِي، خُصُوصًا فِي طَاقَاتٍ عَالِيَةٍ جِدًّا بِسَبَبِ الطَّيْفِ الحَادِّ جِدًّا وَبِالتَّالِي الحَاجَةِ إِلَى قُدْرَةِ رَفْضٍ عَالِيَةٍ وَتَعَرُّضٍ طَوِيلٍ. أَظْهَرَتْ مُحَاكَاةُ انْتِشَارِ الإلِكْتْرُونِ مِنَ المَصَادِرِ المَحَلِّيَّةِ (kobayashi) أَنَّهُ قَدْ يُتَوَقَّعُ وُجُودُ مِيزَاتٍ فِي طَيْفِ الإلِكْتْرُونِ فِي نِطَاقِ TeV حَيْثُ يَزِيدُ تَدْرِيجِيًّا تَدَفُّقُ الإلِكْتْرُونَاتِ الكَوْنِيَّةِ المَجَرِّيَّةِ. مِنْ نَاحِيَةٍ أُخْرَى، قَدْ تُنْتِجُ إِبَادَةُ جُسَيْمَاتِ كَالُوزَا-كْلايْن مِيزَاتٍ طَيْفِيَّةً فِي نِطَاقِ sub-TeV (dark2). جَاءَتِ الإشَارَةُ الأُولَى لِمِيزَةٍ (أَوْ زِيَادَةٍ) فِي طَيْفِ الإلِكْتْرُونِ عِنْدَ بَضْعِ مِئَاتٍ مِنْ GeV مِنْ رَحْلَةِ PPB-BETS قَبْلَ بَضْعِ سِنِينَ (ppb). تَأْكِيدٌ حَدِيثٌ لِلزِّيَادَةِ بِوَاسِطَةِ ATIC (atic) يُعْطِي ثِقَةً أَكْبَرَ بِأَنَّ هَذَا لَيْسَ تَأْثِيرًا أَدَاتِيًّا.
كَيْفَ يُمْكِنُ التَّمْيِيزُ بَيْنَ مُسَاهَمَاتِ النُّجُومِ النَّابِضَةِ وَإِبَادَةِ المَادَّةِ المُظْلِمَةِ؟ عَلَى الأَرْجَحِ، سَيَتَطَلَّبُ تَأْكِيدُ إِشَارَةِ المَادَّةِ المُظْلِمَةِ تَنَاسُقًا بَيْنَ تَجَارِبٍ مُخْتَلِفَةٍ وَقِيَاسَاتٍ جَدِيدَةٍ لِلزِّيَادَاتِ الْمُبَلَّغِ عَنْهَا بِإِحْصَائِيَّاتٍ كَبِيرَةٍ. يَجِبُ أَنْ تَكُونَ الزِّيَادَةُ الْمُلَاحَظَةُ فِي نِسْبَةِ البُوزِيتْرُونِ مُتَّسِقَةً مَعَ الإشَارَاتِ الْمُقَابِلَةِ فِي تَدَفُّقَاتِ البُوزِيتْرُونِ وَالإلِكْتْرُونِ الْمُطْلَقَةِ فِي بَيَانَاتِ PAMELA وَجَمِيعِ بَيَانَاتِ اللِّيبْتُونِ الَّتِي جَمَعَتْهَا Fermi (fermi). لَدَى Fermi مِسَاحَةٌ فَعَّالَةٌ كَبِيرَةٌ وَعُمْرٌ مُتَوَقَّعٌ طَوِيلٌ، 5 سَنَوَاتٍ اسْمِيَّةٍ مَعَ هَدَفِ 10 سَنَوَاتٍ لِلمُهِمَّةِ، مِمَّا يَجْعَلُهَا مُكْتَشِفًا مُمْتَازًا لِإلِكْتْرُونَاتِ الأَشِعَّةِ الكَوْنِيَّةِ حَتَّى \(\sim\)1 TeV (moiseev). سَتُمَكِّنُ قِيَاسَاتُ Fermi لِتَدَفُّقِ اللِّيبْتُونِ الكُلِّي بِإِحْصَائِيَّاتٍ كَبِيرَةٍ مِنَ التَّمْيِيزِ بَيْنَ تَغْيِيرٍ تَدْرِيجِيٍّ فِي المِيلِ وَقَطْعٍ حَادٍّ بِثِقَةٍ عَالِيَةٍ (dark2). الأَخِيرُ، كَمَا هُوَ مُوَضَّحٌ فِي الشَّكْلِ، يُمْكِنُ أَنْ يَكُونَ دَلِيلًا لِصَالِحِ فَرْضِيَّةِ المَادَّةِ المُظْلِمَةِ. يَجِبُ أَنْ يُصَاحِبَ الإشَارَةُ اللِّيبْتُونِيَّةُ القَوِيَّةُ زِيَادَةٌ فِي عَائِدِ الأَشِعَّةِ السِّينِيَّةِ مِمَّا يُوَفِّرُ تَوْقِيعًا طَيْفِيًّا مُمَيَّزًا قَابِلًا لِلكَشْفِ بِوَاسِطَةِ Fermi (lars, nima). قَدْ تُقَدِّمُ بَيَانَاتُ الأَنْتِي بْرُوتُونِ بِإِحْصَائِيَّاتٍ أَعْلَى وَفِي طَاقَاتٍ أَعْلَى الَّتِي جَمَعَتْهَا PAMELA بَعْضَ الأَدِلَّةِ.
إِذَا كَانَتْ مَصَادِرُ البُوزِيتْرُونَاتِ الزَّائِدَةِ هِيَ النُّجُومُ النَّابِضَةُ، فَيَجِبُ أَنْ تَكُونَ قَرِيبَةً جِدًّا مِنَّا وَبِالتَّالِي قَدْ تَكُونُ قَابِلَةً لِلكَشْفِ فِي الأَشِعَّةِ السِّينِيَّةِ مَعَ Fermi. فِي هَذِهِ الحَالَةِ، يَجِبُ أَنْ نَتَوَقَّعَ مِيزَاتٍ أَوْسَعَ فِي طَيْفِ الإلِكْتْرُونِ وَالبُوزِيتْرُونِ دُونَ قُطُوعٍ حَادَّةٍ. فِي الوَقْتِ نَفْسِهِ، قَدْ لَا يَكُونُ الاخْتِبَارُ المُقْتَرَحُ لِلتَّبَايُنِ فِي تَدَفُّقِ اللِّيبْتُونِ الكُلِّي (الإلِكْتْرُونِ+البُوزِيتْرُونِ) (posAn) فَعَّالًا. أَوَّلًا، التَّبَايُنُ المُتَوَقَّعُ صَغِيرٌ جِدًّا، بِجُزْءٍ مِنَ النِّسْبَةِ الْمِئَوِيَّةِ. ثَانِيًا، يُؤَثِّرُ التَّعْدِيلُ الهِلْيُوسْفِيرِي بِشَكْلٍ كَبِيرٍ عَلَى تَدَفُّقِ أَنْوَاعِ الأَشِعَّةِ الكَوْنِيَّةِ دُونَ 20-50 GeV. قَدْ يُؤَثِّرُ المَجَالُ المَغْنَاطِيسِي الهِلْيُوسْفِيرِي المُمتَدُّ وَالرِّيَاحُ الشَّمْسِيَّةُ عَلَى اتِّجَاهَاتِ وُصُولِ جُسَيْمَاتِ الأَشِعَّةِ الكَوْنِيَّةِ حَتَّى فِي طَاقَاتٍ أَعْلَى. لِذَلِكَ، حَتَّى لَوْ لُوحِظَ التَّبَايُنُ، فَقَدْ يَكُونُ مُرْتَبِطًا بِتَكْوِينِ المَجَالِ المَغْنَاطِيسِي الهِلْيُوسْفِيرِي بَدَلًا مِنَ المَصَادِرِ المَحَلِّيَّةِ لِليِبْتُونَاتِ الأَوَّلِيَّةِ.
لَقَدْ فَتَحَتِ القِيَاسَاتُ الدَّقِيقَةُ الأَخِيرَةُ لِلإلِكْتْرُونَاتِ وَالْبُوزِيتْرُونَاتِ الكَوْنِيَّةِ الَّتِي أَجْرَتْهَا PAMELA وَPPB-BETS وَATIC عَصْرًا جَدِيدًا فِي فِيزْيَاءِ الجُسَيْمَاتِ الفَلَكِيَّةِ. إِنَّ الخَصَائِصَ أَوِ الزِّيَادَاتِ المُلاحَظَةَ تَكْسِرُ السُّلُوكَ النَّمَطِيَّ لِقَانُونِ القُوَّةِ الوَاحِدَةِ المُعْتَادِ لِطَيْفِ الأَشِعَّةِ الكَوْنِيَّةِ. يَجِبُ تَأْكِيدُ مَنْشَئِهَا الغَرِيبِ مِنْ خِلَالِ النَّتَائِجِ المُكَمِّلَةِ فِي أَشِعَّةِ \(\gamma\) الَّتِي يَرْصُدُهَا تِلِسْكُوبُ Fermi وَتِلِسْكُوبَاتُ تْشِيرِنْكُوفَ الجَوِّيَّةِ، وَمِنْ خِلَالِ مُصَادِمِ الهَادْرُونَاتِ الكَبِيرِ فِي حُطَامِ تَصَادُمِ البْرُوتُونَاتِ عَالِيَةِ الطَّاقَةِ. سَتَكُونُ الإِجَابَةُ الإِيجَابِيَّةُ اِخْتِرَاقًا كَبِيرًا وَسَتُغَيِّرُ فَهْمَنَا لِلْكَوْنِ إِلَى الأَبَدِ. مِنْ جِهَةٍ أُخْرَى، إِذَا كَانَتْ مَصْدَرًا فَلَكِيًّا تَقْلِيدِيًّا لِلأَشِعَّةِ الكَوْنِيَّةِ، فَهَذَا يَعْنِي الكَشْفَ المُبَاشِرَ عَنِ الجُسَيْمَاتِ المُسَرَّعَةِ فِي مَصْدَرٍ فَلَكِيٍّ، وَهُوَ أَيْضًا اِخْتِرَاقٌ كَبِيرٌ. فِي هَذِهِ الحَالَةِ، سَنَتَعَلَّمُ الكَثِيرَ عَنْ بِيئَتِنَا المَجَرِّيَّةِ المَحَلِّيَّةِ. وَمَعَ ذَلِكَ، بَغْضِ النَّظَرِ عَنْ مَنْشَأِ هَذِهِ الزِّيَادَاتِ، سَوَاءٌ كَانَتْ غَرِيبَةً أَوْ تَقْلِيدِيَّةً، يُمْكِنُنَا تَوَقُّعُ سِنَوَاتٍ مُثِيرَةٍ لِلْغَايَةِ فِي المُسْتَقْبَلِ.
يَشْكُرُ إ. ف. م. دَعْمَ بَرْنَامَجِ نَاسَا لِبُحُوثِ وَتَحْلِيلِ الفِيزْيَاءِ وَالفَلَكِ (APRA).