نقدِّم نتائج بحث عن فوتونات مظلمة بكتلة تقارب 1.5 eV/c2 باستخدام هالوسكوب عازل متعدِّد الطبقات مزوَّد بكاشف ضوئي تجاري منخفض التكلفة. يتكوّن المكدَّس متعدِّد الطبقات، الذي يُمكِّن تحويل الفوتونات المظلمة (DP) إلى فوتونات من النموذج القياسي، من 23 طبقة ثنائيّة متعاقبة من أغشية رقيقة من SiO\(_2\) وSi\(_3\)N\(_4\)، مع تزايد خطّي في السماكة عبر المكدَّس (يُشار إلى هذه البنية باسم «مكدَّس متدرِّج السماكة»). تم اختيار السماكات بواسطة خوارزميّة تحسين بغرض تعظيم كفاءة تحويل الفوتونات المظلمة إلى فوتونات ضمن نطاق طاقة تبلغ فيه حساسيّة الكاشف الضوئي ذروتها. وقد صُمِّمت هذه التجربة النموذجية وطُوِّرت وأُديرت — التي أطلق عليها المؤلفون اسم MuDHI (اختبار الهالوسكوب العازل متعدِّد الطبقات) — في مختبر فيزياء الجسيمات الفلكية بجامعة نيويورك أبوظبي، مُشكِّلةً أوّل تجربة بحث عن المادة المظلمة تُجرى في الشرق الأوسط.
لم نرصد أي فاضل إشارة ذي دلالة إحصائيّة، واستُخدم أسلوب الاحتماليّة العُظمى لتحديد حدود إقصاء عند مستوى ثقة 90% على ثابت اقتران المزج الحركي بين الفوتونات المظلمة والفوتونات العادية.
هناك أدلّة قويّة تشير إلى أنّ نحو 85% من محتوى المادّة في الكون يتكوّن من «المادّة المظلمة»، أي جسيمات جديدة تتجاوز النموذج القياسي ولم تُكتشَف بعد . وبينما كانت الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) الهدفَ الرئيس لتجارب المادّة المظلمة خلال العقود الماضية ، تزداد في الآونة الأخيرة أهمّية مرشّحين آخرين مثل الأكسيونات والفوتونات المظلمة.
في هذا العمل نستهدف مادّة مظلمة بكتلة تقارب 1.5 eV/c2 على هيئة فوتونات مظلمة، وهي جسيمات نظريّة تنتمي إلى ما يُعرف بـ«القطاع المظلم» (سُمِّي مظلماً لكونه مُتعادِلاً تحت تفاعلات النموذج القياسي). ورغم أنّ وجود المادّة المظلمة يُستدلّ عليه من تأثيراتها الثقاليّة على المادة المرئية والبنى الكونيّة، تعتمد معظم التجارب على افتراض وجود تفاعل ضعيف معها. وبالمثل، يُفترض إمكان كشف الفوتونات المظلمة تجريبيّاً من خلال تآثرٍ بين النموذج القياسي والقطاع المظلم عبر «بوّابة متجهية»: إذ ينشأ التآثر عن مزجٍ حركيّ بين بوزون مظلم (الفوتون المظلم الناتج عن تماثل إضافي من نوع U(1)) والبوزون الكهرومغناطيسي العادي (فوتون النموذج القياسي). يؤدّي المزج الحركي إلى تذبذبات بين الفوتونات المظلمة والفوتونات العاديّة، على نحوٍ مشابه لما يحدث بين النيوترينوات . يُكتب لاغرانجيان الفوتون المظلم كما يلي:
حيث \(\tilde F_{\mu\nu}\) موتر المجال الكهرومغناطيسي، و\(\chi\) ثابت المزج الحركي، و\(m_X\) كتلة الفوتون المظلم، و\(e\) الشحنة الكهربائية، و\(J_{\mu}\) متجه كثافة التيار، و\(\tilde A_{\mu}\) رباعي الجهد الكهرومغناطيسي. أُهمِلَت هنا الحدود الأعلى رتبةً في \(\chi\)؛ وللتعبير الكامل يُرجى مراجعة .
تعتمد تقنيتنا في كشف الفوتونات المظلمة على مكدَّس من طبقات عازلة متعاقبة ومُستقبِلٍ ضوئي. يُسمّى هذا النوع من المُقْتفيات «هالوسكوباً عازلاً»، وقد استُخدم سابقاً للبحث عن الأكسيونات في مجال الكتلة 40–400 μeV/c2 (عند اقترانه بحقلٍ مغناطيسي خارجي)، كما اقتُرح لاكتشاف الفوتونات المظلمة في مجال الكتلة 0.1–10 eV/c2 .
لم نرصد أي فاضل إشارة فوق الخلفيّة، فوضعنا حدوداً على ثابت المزج الحركي بين الفوتونات المظلمة والفوتونات العاديّة عند مستوى ثقة 90% في مجال الكتلة قيد الدراسة، وذلك باستخدام هالوسكوب عازل متعدِّد الطبقات مزوَّد بكاشف ضوئي تجاري. المواد العازلة في المكدَّس هي SiO\(_2\) وSi\(_3\)N\(_4\). نستعرض التحدّيات المرتبطة بتصنيع وتوصيف وتشغيل مكدَّس عازل بعدد كبير من الطبقات. كما استُخدمت عدسة لا‑كُرَويّة لتركيز القدرة المُنبعَثة على ثنائي انهيار جرفي أحادي الفوتون (SPAD).
صُمِّم هذا الكاشف النموذجي وطُوِّر وأُدير في جامعة نيويورك أبوظبي، ليُمثّل أوّل تجربة بحثٍ عن المادّة المظلمة تُجرى في الشرق الأوسط. أطلقنا على التجربة اسم MuDHI (اختبار الهالوسكوب العازل متعدِّد الطبقات) — وكلمة «مُضِيء» بالعربية تعني «مُنير». وبينما لم تُنشَر نتائج مُحكَّمة بعد، عَلِم المؤلفون — أثناء المراحل الأخيرة من إعداد هذا العمل — بوجود نموذجٍ أوّلي لهالوسكوب استخدم خمس طبقات ثنائيّة وكاشفاً فائق التوصيل أحادي الفوتون .
تنظيم الورقة كما يلي: في القسم التالي نعرض تصميم التجربة؛ ثم نشرح النظرية الكامنة وراء تحويل الفوتونات المظلمة إلى فوتونات عاديّة؛ ثم نصف الإعداد التجريبي بالتفصيل؛ وبعد ذلك نبيّن نتائج التجربة؛ وأخيراً نقدّم الخلاصة وآفاق العمل المستقبلي. يمكن إعادة إنتاج جميع الرسوم البيانية باستخدام الشيفرة المتاحة على https://github.com/arneodoslab/haloscope.git.