نقدم نتائج البحث عن الفوتونات المظلمة ذات الكتلة حوالي 1.5 eV/c2 باستخدام هالوسكوب عازل متعدد الطبقات مزود بكاشف ضوئي متوفر تجارياً وبتكلفة معقولة. يتكون المكدس متعدد الطبقات، الذي يتيح تحويل الفوتونات المظلمة (DP) إلى فوتونات النموذج القياسي، من 23 طبقة مزدوجة متناوبة من أغشية رقيقة من SiO\(_2\) وSi\(_3\)N\(_4\)، مع زيادة خطية في السماكة عبر المكدس (تُعرف هذه البنية باسم "مكدس متدرج السماكة"). تم اختيار السماكات وفق خوارزمية تحسين بهدف تعظيم تحويل الفوتونات المظلمة إلى فوتونات في منطقة الطاقة التي تبلغ فيها حساسية الكاشف الضوئي ذروتها. تم تصميم وتطوير وتشغيل هذه التجربة النموذجية، التي أطلق عليها المؤلفون اسم MuDHI (اختبار الهالوسكوب العازل متعدد الطبقات)، في مختبر فيزياء الجسيمات الفلكية بجامعة نيويورك أبوظبي، مما يمثل أول تجربة بحث عن المادة المظلمة تُجرى في الشرق الأوسط.
لم يُلاحظ أي زيادة ذات دلالة إحصائية في الإشارة، وتم استخدام طريقة الاحتمالية العظمى (اللوغاريتمية) لتحديد حدود استبعادية عند مستوى ثقة 90% على ثابت اقتران المزج الحركي بين الفوتونات المظلمة والفوتونات العادية.
هناك أدلة قوية تشير إلى أن حوالي 85% من محتوى المادة في الكون يتكون من المادة المظلمة، وهي جسيمات جديدة تتجاوز النموذج القياسي ولم يتم اكتشافها بعد . بينما كانت الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) هي الهدف الرئيسي لتجارب المادة المظلمة خلال العقود الماضية ، إلا أن جسيمات جديدة مثل الأكسيونات والفوتونات المظلمة تكتسب اهتماماً متزايداً.
في هذا العمل نبحث عن المادة المظلمة بكتلة تقارب 1.5 eV/c2 على شكل فوتونات مظلمة، وهي جسيمات نظرية تنتمي إلى ما يسمى "القطاع المظلم" (سُمي مظلماً لأنه متعادل تحت تفاعلات النموذج القياسي). على الرغم من أن وجود المادة المظلمة مدفوع بتأثيرها الثقالي على النموذج القياسي، إلا أن معظم التجارب تعتمد على افتراض وجود تفاعل ضعيف معها. وبالمثل، يُفترض أن اكتشاف الفوتونات المظلمة ممكن تجريبياً بسبب التفاعل بين النموذج القياسي والقطاع المظلم عبر بوابة متجهية. في هذه البوابة، يحدث التفاعل بسبب المزج الحركي بين بوزون مظلم (الفوتون المظلم الناتج عن تناظر إضافي U(1)) وبوزون عادي (فوتون النموذج القياسي). يؤدي المزج الحركي إلى تذبذبات بين الفوتونات المظلمة والفوتونات العادية، على غرار ما يحدث بين النيوترينوات . لاغرانجيان الفوتون المظلم في أساس الانتشار (أي أساس الكتلة) يُعطى بـ:
حيث \(\tilde F_{\mu\nu}\) هو موتر الحقل الكهرومغناطيسي، \(\chi\) هو ثابت المزج الحركي، \(m_X\) كتلة الفوتون المظلم، \(e\) الشحنة الكهربائية، \(J_{\mu}\) متجه كثافة التيار، و\(\tilde A_{\mu}\) هو رباعي الجهد الكهرومغناطيسي. تم هنا إهمال الحدود من الرتبة الأعلى في \(\chi\)، وللتعبير الكامل يُرجى مراجعة .
تعتمد التقنية التي نستخدمها لاكتشاف الفوتونات المظلمة على مكدس من طبقات عازلة متناوبة ومستقبل ضوئي. يُطلق على هذا النوع من الكواشف اسم "هالوسكوب عازل" وقد استُخدم سابقاً للبحث عن الأكسيونات في مجال الكتلة 40–400 μeV/c2 (عند اقترانه بحقل مغناطيسي خارجي)، كما اقتُرح لاكتشاف الفوتونات المظلمة في مجال الكتلة 0.1–10 eV/c2 .
لم نلاحظ أي زيادة في البيانات، ووضعنا حدوداً على ثابت المزج الحركي بين الفوتونات المظلمة والفوتونات العادية عند مستوى ثقة 90% في مجال الكتلة قيد الدراسة. تم ذلك باستخدام هالوسكوب عازل متعدد الطبقات مزود بكاشف ضوئي متوفر تجارياً. المواد المستخدمة في المكدس هي SiO\(_2\) وSi\(_3\)N\(_4\). نستعرض التحديات المتعلقة بتصنيع وتوصيف وتشغيل مكدس عازل بعدد كبير من الطبقات. كما استُخدم عدسة لاكروية لتركيز القدرة المنبعثة على ثنائي انهيار ضوئي أحادي الفوتون (SPAD).
تم تصميم وتطوير وتشغيل هذا الكاشف النموذجي في جامعة نيويورك أبوظبي، مما يمثل أول تجربة بحث عن المادة المظلمة تُجرى في الشرق الأوسط. أُطلق على هذه التجربة اسم MuDHI (اختبار الهالوسكوب العازل متعدد الطبقات) – وكلمة "مضيء" بالعربية تعني "مضيء". على الرغم من عدم نشر نتائج محكمة بعد، علم المؤلفون بوجود نموذج أولي لهالوسكوب استخدم خمس طبقات مزدوجة وكاشف فائق التوصيل أحادي الفوتون في المراحل النهائية من إعداد هذا البحث .
تنظيم الورقة كالتالي: في القسم التالي نستعرض تصميم التجربة؛ ثم نشرح النظرية وراء تحويل الفوتونات المظلمة إلى فوتونات عادية؛ ثم نصف الإعداد التجريبي بالتفصيل؛ ثم نعرض نتائج التجربة؛ وأخيراً نلخص ونستنتج. جميع الرسوم البيانية المرفقة يمكن إعادة إنتاجها باستخدام الشيفرة المتوفرة على https://github.com/arneodoslab/haloscope.git.