مُلَخَّص

إن اكتشاف أشعّة \(\gamma\) والأنتيبروتونات والبوزيترونات الناتجة عن إبادة أزواج جسيمات المادة المظلمة في هالة درب التبانة يُعَدّ تقنية غير مباشرة قابلة للتطبيق للبحث عن توقيعات المادة المظلمة فائقة التناظر؛ غير أنّ التحدّي الأكبر يكمن في التمييز بين الإشارة وخلفية آليات الإنتاج القياسية. البيانات الجديدة للأنتيبروتونات من PAMELA متوافقة مع الإنتاج الثانوي القياسي، ما يُمكّن من تقييد المساهمة غير الاعتيادية في الطيف الناجمة عن إبادة النيترالينو. وعلى وجه الخصوص، نُظهر أنّه في إطار نموذج الجاذبية الفائقة الدنيا (mSUGRA)، وضمن سيناريو هالة مُتكتّلة (عامل تعزيز ≥ 10) وللقيم العالية \(\tan(\beta)\geq 55\)، يُستبعَد معظم فضاء المعلمات الذي تسمح به قيود WMAP.

من جهةٍ أُخرى، تُظهِر بيانات الكسر البوزيتروني من PAMELA فائضاً لا يمكن تفسيره بالإنتاج الثانوي. كما أبلغت كلٌّ من PPB-BETS وATIC عن ميزات في طيف الإلكترونات عند مئات الـ GeV. تبدو هذه الزيادات متّسقة وتشير إلى مصدر، تقليدي أو غير اعتيادي، لمكوّن ليبتوني إضافي.

نناقش هنا حالة البحث غير المباشر عن المادة المظلمة وآفاق تجارب PAMELA وتلسكوب Fermi الفضائي لأشعّة \(\gamma\).

بَيَانَاتُ نِسْبَةِ الأَنْتِيبْرُوتُونِ إِلَى البْرُوتُونِ

تجربة PAMELA (حُمولة استكشاف المادة المُضادّة والفيزياء الفلكية للنوى الخفيفة) هي جهاز محمول على قمرٍ صناعيّ، مُصمَّم لدراسة الجسيمات المشحونة في الأشعّة الكونية مع تركيزٍ خاص على الجسيمات المُضادّة (الأنتيبروتونات والبوزيترونات). تُعرَض بيانات الأنتيبروتون من PAMELA (Pam_antip) إلى جانب الفيض المتوقع للأنتيبروتونات من الإنتاج الثانوي القياسي، المُحسَب باستخدام كود GALPROP. وتُبيّن حدود الفيض الدنيا والقصوى المحسوبة في نماذج متعدّدة مُعايَرة لتلائم نسبة البورون إلى الكربون في الأشعّة الكونية (SM134, SM2, jcap, ptuskin). تتوافق بيانات الأنتيبروتون التي جمعتها PAMELA وBESS مع تنبؤات الإنتاج الثانوي، وبذلك يُستبعَد وجود إشارة قوية للأنتيبروتونات من عمليات غير اعتيادية.

نُجري التحليل ضمن إطار نموذج الجاذبية الفائقة الدنيا مع تثبيت المعلمات الأقل حساسية \(A_{0}\) و\(\tan \beta\) و\(\mathrm{sign}(\mu)=+1\)، ولعامل تعزيز 10 و\(\tan(\beta)=55\). ووفقاً للتحليل في (jcap)، يُستبعَد الجزء الأدنى من الحيّز المرسوم بالاستناد إلى بيانات الأنتيبروتون. وللقيم الأكبر من \(\tan\beta\) تتّسع المنطقة المستبعَدة من فضاء المعلمات، بينما للقيم الأصغر تكون قدرة الأنتيبروتونات على استكشاف سيناريو الجاذبية الفائقة الدنيا محدودةً للغاية (jcap, ICHEP).

يمكن مقارنة هذه النتيجة مع التقديرات المستندة إلى حساسية Fermi خلال خمس سنوات من رصد فوتونات إبادة WIMP (الطيف المستمر) من مركز المجرّة، كما هو مبيّن في الشكل (susy). يمثّل الشريط الأحمر المنطقة المسموح بها كونياً وفقاً لقيود WMAP؛ أمّا المنطقة فوق الخط الأزرق (\(M_{WIMP}\sim200\,\mathrm{GeV}\)) فغير قابلة للكشف بواسطة Fermi بسبب تضاؤل الفيض المتوقع مع ازدياد كتلة WIMP مع ارتفاع \(M_{1/2}\). الملفّ الشخصي لهالة المادة المظلمة المُستخدَم لتقدير حساسية البحث غير المباشر لـFermi هو نموذج نافارو–فرينك–وايت (NFW) المُقَلَّم. ولملفات هالة أشدّ تراكزاً نحو المركز (مثل ملف Moore) تتحسّن حدود حساسية Fermi (فتتسع مساحة منطقة WMAP الممكن فحصها)، بينما لملفات أقل تراكزاً تتراجع هذه الحدود فتغطي جزءاً أصغر من المنطقة المسموح بها. وتؤخَذ حدود تجربة LHC من (Baer).

نِسْبَةُ البُوزِيتْرُونِ وَفَائِضُ الإِلِكْتْرُونَاتِ

على عكس بيانات نسبة الأنتيبروتون إلى البروتون، تُظهِر بيانات الكسر البوزيتروني من PAMELA (Pam_pos) زيادةً فوق ~10 GeV لا يمكن تفسيرها بالإنتاج الثانوي (SM134, jcap). نُشير إلى أنّ التغيّر في بيانات الكسر دون ~10 GeV قد يعود إلى تأثيرات التعديل الشمسي (clem) وتغيّر قُطبية المجال المغناطيسي الشمسي قياساً بالدورة السابقة. الدافع لادّعاء اكتشاف المادة المظلمة قويّ، لكن هناك مصادر فلكية منافِسة، مثل النجوم النابضة، قد تولّد فيضاً كبيراً من البوزيترونات والإلكترونات الأولية (puls, coutu, posAn).

وقد جاء تأكيد مستقلّ على أنّ شيئاً مثيراً يحدث في مركّب الليبتونات في الأشعّة الكونية من قياسات الإلكترونات عالية الطاقة. لم يُقَس فيض الإلكترونات الكونية بدقّة في الماضي، وخصوصاً عند الطاقات العالية بسبب انحدار الطيف الحادّ والحاجة إلى قدرة رفضٍ عالية وزمن تعرّضٍ طويل. أظهرت محاكاة انتشار الإلكترونات من مصادر محلية (kobayashi) أنّ ميزات طيفية قد تظهر ضمن نطاق TeV حيث تسود مساهمات المصادر القريبة نتيجة خسائر الطاقة الشديدة. من ناحيةٍ أُخرى، قد تُنتِج إبادة جسيمات كالوزا–كلاين ميزاتٍ طيفية في النطاق دون-تيرا إلكترون فولت (sub-TeV) (dark2). وقد جاءت الإشارة الأولى لميزة (أو زيادة) في طيف الإلكترونات عند بضع مئات من GeV من رحلة PPB-BETS قبل عدّة سنوات (ppb)، وأدّى تأكيد حديث لتلك الزيادة بواسطة ATIC (atic) إلى تعزيز الثقة في أنّ الأمر ليس أثراً أداتياً.

كيف يمكن التمييز بين مساهمات النجوم النابضة وإبادة المادة المظلمة؟ على الأرجح، سيتطلّب تأكيد إشارة المادة المظلمة توافقاً بين تجارب مختلفة وقياساتٍ جديدة للزيادات المُبلَّغ عنها بإحصاءاتٍ كبيرة. يجب أن يكون الفائض الملحوظ في الكسر البوزيتروني متّسقاً مع إشاراتٍ مقابلة في الفيض المطلق لكلٍّ من البوزيترون والإلكترون في بيانات PAMELA ومع بيانات الليبتونات الشاملة التي يجمعها Fermi (fermi). لدى Fermi مساحةٌ فعّالة كبيرة وعمرٌ اسميّ متوقّع قدره خمس سنوات مع هدفِ مهمّةٍ يبلغ عشر سنوات، ما يجعله مُكتشِفاً ممتازاً لإلكترونات الأشعّة الكونية حتى ~1 TeV (moiseev). ستمكّن قياسات Fermi للفيض الليبتوني الكلّي بإحصاءاتٍ واسعة من التمييز بثقةٍ عالية بين ميلٍ تدريجي وقطعٍ حادّ (dark2)؛ والأخير، كما هو موضَّح في الشكل، يمكن أن يكون دليلاً على فرضية المادة المظلمة. ويجب أن تُصاحِب الإشارة الليبتونية القوية زيادةٌ في عائد أشعّة غاما، ما يوفّر توقيعاً طيفياً مميّزاً قابلاً للكشف بواسطة Fermi (lars, nima). وقد تُقدِّم بيانات الأنتيبروتون ذات الإحصاءات الأعلى وعند طاقاتٍ أكبر التي تجمعها PAMELA أدلّة إضافية.

إذا كانت مصادر البوزيترونات الزائدة هي النجوم النابضة، فيُفترَض أن تكون قريبةً جدّاً منّا، وقد يُكتشَف أثرها في أشعّة غاما بواسطة Fermi. في هذه الحالة نتوقّع ميزاتٍ أوسع في طيف الإلكترون والبوزيترون من دون قطعٍ حادّ. وفي الوقت نفسه، قد لا يكون الاختبارُ المقترَح للتباين في فيض الليبتونات الكلّي (الإلكترون + البوزيترون) (posAn) فعّالاً. أولاً، التباين المتوقع صغيرٌ للغاية (جزء من في المئة). ثانياً، يؤثّر التعديل الهَيليوسفيرِيّ بشكلٍ كبير على فيض الأشعّة الكونية دون 20–50 GeV. وقد يؤثّر المجال المغناطيسي الهَيليوسفيرِيّ الممتدّ والرياح الشمسية على اتجاه وصول الجسيمات حتى عند طاقاتٍ أعلى. لذلك، حتّى لو لوحِظ التباين، فقد يكون مرتبطاً ببنية المجال المغناطيسي الهَيليوسفيرِيّ بدلاً من المصادر المحلية لليبتونات الأولية.

الخَاتِمَةُ

لقد فتحت القياساتُ الدقيقةُ الأخيرة للإلكترونات والبوزيترونات الكونية التي أجرتها PAMELA وPPB-BETS وATIC عصراً جديداً في فيزياء الجسيمات الفلكية. إن الميزات أو الزيادات الملحوظة تكسر السلوك النمطي لقانون القدرة الواحد المعتاد لطيف الأشعّة الكونية. يجب تأكيد مصدرها غير الاعتيادي عبر النتائج المُكمِّلة في أشعّة \(\gamma\) التي يرصدها تلسكوب Fermi وتلسكوبات تشيرينكوف الجوية، وكذلك عبر مُصادَم الهادرونات الكبير من خلال حطام تصادمات البروتونات عالية الطاقة. ستكون النتيجة الإيجابية اختراقاً كبيراً وستُغيّر فهمنا للكون إلى الأبد. أمّا إذا كان المصدر فلكياً تقليدياً، فسيَعني ذلك كشفاً مباشراً للجسيمات المُسرَّعة في مصدرٍ فلكيّ، وهو أيضاً اختراقٌ كبير. في هذه الحالة سنتعلّم الكثير عن بيئتنا المجرّية المحلية. وبصرف النظر عن منشأ هذه الزيادات، سواء أكان غير اعتيادي أم تقليدياً، يمكن توقّعُ سنواتٍ مقبلةٍ مثيرةٍ للغاية.

يشكر إ. ف. م. دعمَ برنامج ناسا لبحوث وتحليل الفيزياء والفلك (APRA).