اكتشاف أشعة \(\gamma\) والأنتيبروتونات والبوزيترونات الناتجة عن التحلل الثنائي لجسيمات المادة المظلمة في هالة درب التبانة هو تقنية غير مباشرة قابلة للتطبيق للبحث عن توقيعات المادة المظلمة فائقة التماثل، حيث يكمن التحدي الأكبر في التمييز بين الإشارة والخلفية الناجمة عن آليات الإنتاج القياسية. البيانات الجديدة للأنتيبروتونات من PAMELA متوافقة مع الإنتاج الثانوي القياسي، مما يمكّننا من تقييد المساهمة غير الاعتيادية في الطيف الناجمة عن تحلل النيترالينو. على وجه الخصوص، نُظهر أنه في إطار نموذج الجاذبية الفائقة الدنيا (mSUGRA)، وضمن سيناريو هالة متكتّلة (بعامل تكتّل \(\geq\) 10) وللقيم العالية من \(\tan\beta \geq 55\)، يستبعد معظم فضاء المعلمات المسموح به وفقاً لقيود WMAP.
من جهة أخرى، تظهر بيانات نسبة البوزيترون إلى الإلكترون من PAMELA فائضاً لا يمكن تفسيره بالإنتاج الثانوي. وقد أبلغت كلٌّ من PPB-BETS وATIC عن ميزات في طيف الإلكترونات عند مئات الـ GeV. تبدو هذه الزيادات متسقة وتشير إلى وجود مركب لبوني إضافي.
هنا نناقش حالة البحث غير المباشر عن المادة المظلمة وآفاق تجارب PAMELA وتلسكوب فضاء أشعة \(\gamma\) Fermi.
تجربة PAMELA (حِمْلَةُ اسْتِكْشَافِ المَادَّةِ المُضَادَّةِ وعِلْمِ الفَلَكِ النَّوَوِيِّ الْخَفِيفِ) هي جهاز محمول على قمر صناعي مصمم لدراسة الجسيمات المشحونة في الإشعاع الكوني مع تركيز خاص على الجسيمات المضادة (الأنتيبروتونات والبوزيترونات). تُعرض بيانات الأنتيبروتون من PAMELA (Pam_antip) إلى جانب التدفق المتوقع للأنتيبروتونات من الإنتاج الثانوي القياسي، المُحتَسَبَ باستخدام كود GALPROP. تظهر حدود التدفق الدنيا والقصوى المحسوبة في النماذج المتعددة المنضبطة لتتناسب مع نسبة البورون إلى الكربون في الأشعة الكونية (SM134, SM2, jcap, ptuskin). تتوافق بيانات الأنتيبروتون التي جمعتها PAMELA وBESS مع التنبؤات للإنتاج الثانوي، وبذلك يُستبعد وجود إشارة قوية للأنتيبروتونات من العمليات غير الاعتيادية.
يُعرض الشكل في إطار نموذج الجاذبية الفائقة الدنيا بتثبيت المعلمات الأقل حساسية \(A_{0}\) و\(\tan\beta\) و\(\mathrm{sign}(\mu)=+1\)، وفي حالة عامل تكتّل 10 و\(\tan(\beta)=55\). وفقاً للتحليل في (jcap)، يُستبعد الجزء الأدنى من الخط بناءً على بيانات الأنتيبروتون. للقيم الأكبر من \(\tan\beta\) تكون المنطقة المستبعدة من فضاء المعلمات أوسع، بينما للقيم الأقل تكون قدرة تدفق الأنتيبروتونات على استكشاف سيناريو الجاذبية الفائقة الدنيا ضعيفة جداً (jcap, ICHEP).
يمكن مقارنة هذه النتيجة مع التقديرات المستندة إلى حساسية Fermi لخمس سنوات من مراقبة فوتونات إبادة WIMP (الطيف المستمر) من مركز المجرة كما هو مبين في الشكل (susy). الشريط الأحمر يمثل المنطقة المسموح بها كونيًا وفقاً لقيود WMAP؛ والمنطقة فوق الخط الأزرق (\(M_{WIMP}\sim200\) GeV) غير مرئية بواسطة Fermi بسبب زيادة كتلة WIMP مع ارتفاع \(M_{1/2}\). الملفّ الشخصي لهالة المادة المظلمة المستخدم لتقدير حساسية البحث غير المباشر لـ Fermi هو نموذج Navarro–Frank–White (NFW) المقطّع. أما لملفات هالة أكثر حدة (مثل ملف Moore)، فتنتقل حدود Fermi للأعلى، موسعةً منطقة WMAP المسموح بها، بينما لملف أقل حدة تنتقل الحدود للأسفل، مغطية جزءاً أقل من المنطقة المسموح بها. حدود تجربة LHC من (Baer).
على عكس بيانات نسبة الأنتيبروتون إلى البروتون، تظهر بيانات نسبة البوزيترون من PAMELA (Pam_pos) زيادة فوق ~10 GeV لا يمكن تفسيرها بالإنتاج الثانوي (SM134, jcap). نلاحظ أن التغير في بيانات النسبة تحت ~10 GeV قد يكون بسبب تأثير النشاط الشمسي (clem) وتغيّر قطبية المجال المغناطيسي الشمسي مقارنة بالدورة السابقة. الدافع لادعاء اكتشاف المادة المظلمة قوي، لكن هناك مصادر فلكية منافسة، مثل النجوم النابضة، التي قد تولّد تدفقاً قوياً للبوزيترونات والإلكترونات الأولية (puls, coutu, posAn).
تأكيد مستقل بأن هناك شيئاً مثيراً يحدث مع الليبتونات في الأشعة الكونية جاء من قياسات الإلكترونات عالية الطاقة. لم يُقَس تدفق الإلكترونات الكونية بدقة في الماضي، لا سيما عند الطاقات العالية نظراً للطيف الحاد وضرورة وجود قدرة رفض عالية وتعريض طويل. أظهرت محاكاة انتشار الإلكترونات من المصادر المحلية (kobayashi) توقعاً لظهور ميزات في طيف الإلكترونات ضمن نطاق TeV، حيث يزيد تدريجياً تدفق الإلكترونات الكونية المجرية. من ناحية أخرى، قد تنتج إبادة جسيمات كالوزا–كلاين ميزات طيفية في نطاق تحت TeV (dark2). جاءت الإشارة الأولى لميزة (أو زيادة) في طيف الإلكترونات عند بضع مئات من GeV من رحلة PPB-BETS قبل عدة سنوات (ppb). وتأكيد حديث للزيادة بواسطة ATIC (atic) يعزز الثقة في أن هذا ليس تأثيراً أداتياً.
كيف يمكن التمييز بين مساهمات النجوم النابضة وإبادة المادة المظلمة؟ على الأرجح، سيتطلب تأكيد إشارة المادة المظلمة توافقاً بين تجارب مختلفة وقياسات جديدة للزيادات المبلغ عنها بإحصائيات كبيرة. يجب أن تكون الزيادة الملحوظة في نسبة البوزيترون متسقة مع الإشارات في التدفقات المطلقة للبوزيترونات والإلكترونات في بيانات PAMELA وكافة بيانات الليبتون التي جمعتها Fermi (fermi). لدى Fermi مساحة فعالة كبيرة وعمر اسمي متوقع خمس سنوات مع هدف عشرة أعوام للمهمة، مما يجعلها مكتشفاً ممتازاً لإلكترونات الأشعة الكونية حتى ~1 TeV (moiseev). ستمكن قياسات Fermi لتدفق الليبتون الكلي بإحصائيات واسعة من التمييز بين ميل تدريجي وقطع حاد بثقة عالية (dark2). الأخير، كما موضح في الشكل، يمكن أن يكون دليلاً على فرضية المادة المظلمة. ويجب أن يصاحب الإشارة الليبتونية القوية زيادة في عائد الأشعة السينية، مما يوفر توقيعاً طيفياً مميزاً قابلًا للكشف بواسطة Fermi (lars, nima). وقد تقدم بيانات الأنتيبروتون بإحصائيات أعلى وفي طاقات عليا جمعتها PAMELA بعض الأدلة الإضافية.
إذا كانت مصادر البوزيترونات الزائدة هي النجوم النابضة، فيجب أن تكون قريبة جداً منا، وقد يُكتشف وجودها في الأشعة السينية بواسطة Fermi. في هذه الحالة، نتوقع ميزات أوسع في طيف الإلكترون والبوزيترون دون قطع حاد. وفي الوقت نفسه، قد لا يكون الاختبار المقترح للتباين في تدفق الليبتون الكلي (الإلكترون+بوزيترون) (posAn) فعالاً. أولاً، التباين المتوقع صغير للغاية (جزء من النسبة المئوية). ثانياً، يؤثر التعديل الهيليوسفيرِي بشكل كبير على تدفق الأشعة الكونية دون 20–50 GeV. وقد يؤثر المجال المغناطيسي الهيليوسفيري الممتد والرياح الشمسية على اتجاه وصول الجسيمات حتى في طاقات أعلى. لذلك، حتى لو لوحظ التباين، فقد يكون مرتبطاً بتكوين المجال المغناطيسي الهيليوسفيري بدلًا من المصادر المحلية لليبتونات الأولية.
لقد فتحت القياسات الدقيقة الأخيرة للإلكترونات والبوزيترونات الكونية التي أجرتها PAMELA وPPB-BETS وATIC عصراً جديداً في فيزياء الجسيمات الفلكية. إن الخصائص أو الزيادات الملحوظة تكسر السلوك النمطي لقانون القدرة الواحد المعتاد لطيف الأشعة الكونية. يجب تأكيد مصدرها غير الاعتيادي عبر النتائج المكملة في أشعة \(\gamma\) التي يرصدها تلسكوب Fermi وتلسكوبات تشيرينكوف الجوية، ومن خلال مصادم الهادرونات الكبير وتجارب تصادمات البروتونات عالية الطاقة. ستكون النتيجة الإيجابية اختراقاً كبيراً وستغير فهمنا للكون إلى الأبد. من جهة أخرى، إذا كان المصدر فلكياً تقليدياً، فهذا يعني الكشف المباشر عن الجسيمات المسرَّعة في مصدر فلكي، وهو أيضاً اختراق كبير. في هذه الحالة، سنتعلم الكثير عن بيئتنا المجرية المحلية. ومع ذلك، بغض النظر عن منشأ هذه الزيادات، سواء كانت غير اعتيادية أو تقليدية، يمكن توقع سنوات قادمة مثيرة للغاية.
يشكر إ. ف. م. دعمَ برنامج ناسا للبحوث وتحليل الفيزياء والفلك (APRA).