المادة فى الكون تأتى على شكل مادة مضيئة luminous matter و على شكل مادة مظلمة dark matter.
المادة المضيئة هى الذرات التى تتشكل منها اجسامنا و الارض و النجوم و ما نشاهده من المجرات وهى حوالى 16 بالمائة فقط من المادة الموجودة فى الكون.
اما المادة المظلمة فتشكل ما يقارب ال 84 بالمائة من مادة الكون.
لكننا لا نراها فهو لا يصدر عنها اى اشعاع كهرومغناطيسى ولهذا تسمى مظلمة.
هذه المادة المظلمة لا نرى تأثيرها الا عبر تأثيرها على دوران المجرات اى عبر التفاعلات الثقالية لهذه المادة المظلمة مع المادة المضيئة.
المادة المضيئة توصف فيزيائيا بشكل دقيق الى حد كبير جدا-بل دقيق جدا-باستخدام النموذج القياسى للجسيمات الاولية standard model of particle physics.
أما المادة المظلمة التى هى الاغلبية الساحقة من المادة فى الكون فهى مازالت مجهولة و هناك عدة مقترحات فى فيزياء الجسيمات حول اصلها و كل هذه المقترحات واقعة اليوم فى ازمة.
من هذه المقترحات جسيمات سلمية تسمى الاكسيونات (مفرد اكسيون axion) و الجسيمات الشبحية الشهيرة المسماة النيوترينوات (مفرد نيوترينو neutrino و هى جسيمات العبقرى باولى Pauli).
اما اشهر المقترحات فهى جسيمات تعرف باسم الويمب WIMP اى الجسيمات الثقيلة المتفاعلة بضعف weakly interacting massive particles التى يتنبأ بها النموذج القياسى الممتاز اصغريا minimally supersymmetric standard model للجسيمات الاولية.
كل هذه المقترحات التى سيطرت على المجال خلال ال 25 سنة الاخيرة واقعة اليوم فى ازمة لان المشاكل التى تواجهها اكبر مما حققتها من انجازات و ايضا لانه لم يتم اكتشاف لا التناظر الممتاز و لا اى ويمب فى اى من التجارب الاخيرة للمسرعات.
من المقترحات التى لفتت نظرى بشدة مؤخرا هو مقترح ان المادة المظلمة تتشكل من جسيمات هى غرافيتونات (مفرد غرافيتون graviton) ثقيلة.
هذه الغرافيتونات الثقيلة نحصل عليها من الاختزال البعدى كالوزا-كلاين Kaluza-Klein dimensional reduction للابعاد الاضافية extra dimensions التى سوف نفترض ان الفضاء-زمن ينطوى عليها.
اذن الفضاء-زمن هو ليس اربعة ابعاد بل نفترض ان عدد ابعاده هو اكثر قد تكون خمسة ابعاد وقد تكون d بعد بصفة عامة.
و كتلة الغرافيتون فى الفضاء-زمن الاعلى (اى الفضاء-زمن ببعد خمسة او ببعد d) يجب ان تكون منعدمة وهذا هو شرط الصمود الديفيومورفيزمى diffeomorphism invariance للنسبية العامة فى d بعد.
اذن هناك d-4 بعد اضافى قد تكون كبيرة large او كونية universal او مغلفة wrapped وهذا هو النوع الاهم.
سوف نفترض عموما ان هذه الابعاد الاضافية هى متضامة compact اى متناهية فى الطول مثلا هى دوائر بنصف قطر R.
و عندما نقوم باختزال هذه الابعاد الاضافية باستخدام ميكانيزم كالوزا-كلاين Kaluza-Klein mechanism فان الغرافيتون سوف يظهر من وجهة نظر الفضاء-زمن باربعة ابعاد الذى نعيش فيه على انه برج tower اى سلسة لانهائية من الانماط الحقلية field modes اى جسيمات.
هذه الجسيمات او الانماط الحقلية تسمى غرافيتونات كالوزا-كلاين Kaluza-Klein gravitons وهى كلها ثقيلة اى بكتلة غير معدومة متناسبة عكسا مع نصف القطر R.
هذه العملية تسمى التضميم compactification كما شرحنا ذلك فى منشور سابق و عندما يذهب نصف القطر الى صفر فان التضميم يصبح اختزال بعدى dimensional reduction.
وكلتا العمليتين (التضميم و الاختزال البعدى) نسميهما معا ميكانيزم كالوزا-كلاين او اختزال كالوزا-كلاين Kaluza-Klein reduction.
هذه فى الحقيقة عملية بسيطة.
يمكننا أن نبين ميكانيزم او اختزال كالوزا-كلاين بالنسبة الى حقل سلمى Φ يعيش فى d=D+1 بعد اى لدينا بعد اضافى واحد كما يلى.
نفترض ان البعد الاضافى هو دائرة نصف قطرها R و احداثية البعد الاضافى هى z.
الحقل السلمى Φ يجب ان يكون دورى periodic فى اتجاه البعد الاضافى لانها دائرة. اذن يجب ان تتحقق المعادلة الاولى فى الصورة.
نقوم الآن بتحويل فورييه Fourier transform فى اتجاه البعد الاضافى و هذه هى المعادلة الثانية فى الصورة حيث ان Φn هى الانماط الحقلية field modes وهى حقول سلمية فى البعد الادنى d.
الحقل السلمى Φ فى البعد الاعلى D=d+1 يظهر على شكل حقول سلمية Φn بالنسبة لراصد يعيش فى البعد الادنى d.
الحقل السلمى Φ يجب ايضا ان يحقق معادلة كلاين-غوردن Klein-Gordon بكتلة معدومة فى البعد الاعلى D=d+1.
هذا يؤدى مباشرة الى كون الحقول السلمية Φn يجب هى الاخرى ان تحقق معادلة كلاين-غوردن لكن نجد انها تحقق معادلة كلاين-غوردن بكتل غير معدومة فى البعد الادنى d.
هذه هى المعادلة الثالثة فى الصورة. و كما ترون فان الكتل هى بالضبط متناسبة عكسا مع نصف القطر R.
الحقول Φn تسمى انماط كالوزا-كلاين Kaluz-Klein modes او الحقول السلمية لكالوزا-كلاين.
لو اخذنا عوض الحقل السلمى Φ مترية الفضاء-زمن spacetime metric (التى هى بالضبط مترية الغرافيتون فى الفضاء-زمن الاعلى) فان انماط كالوزا-كلاين التى نحصل عليها فى هذه الحالة هى بالضبط الغرافيتونات الثقيلة كالوزا-كلاين فى الفضاء-زمن الادنى.
المهم ان الغرافيتون المعدوم الكتلة فى بعد اعلى يظهر لنا نحن فى بعد ادنى على شكل عدد لانهائى من الغرافيتونات الثقيلة.
هذه الغرافيتونات الثقيلة هى بالضبط جسيمات المادة المظلمة.
هذه الغرافيتونات يتم انتجاها مباشرة بعد الانفجار الاعظم من تصادم scattering الجسيمات الاولية المضيئة و حسب ما يبدو فانه يتم انتاجها بأعداد كافية تغطى كمية المادة المظلمة التى نراها اليوم فى الكون.
هذه النتيجة لم تكن متوقعة لان هذه التصادمات معروف عنها انها نادرة جدا لكن الذى وجده الباحثون ان هناك تعزيز enhancement فى انتاج هذه الجسيمات لم يكن معروفا من قبل وهذا ما يجعل اعدادها المنتجة بعد الانفجار الاعظم (حوال 1 بيكوثانية picosecond اى واحد من 10 للاس 12 من الثانية بعد الانفجار الاكبر) كافى جدا من اجل تغطية كمية المادة المظلمة التى نشاهدها اليوم فى الكون.
هذه الغرافيتونات الثقيلة يتم انتجاها تحت سلم كتلة جسيم الهيغز Higgs particle (المسؤول عن كتلة الجسيمات المضيئة) فهى تأتى بكتلة اقل من 1 ميغاالكترون فولط.و اذن فان كتلة هذه الغرافيتونات الثقيلة بعيدة عن الطاقات العليا و بالتالى فهى محمية من مشاكل اعادة-التنظيم او الاستنظام renormalization.
اكثر من هذا فان تفاعل هذه الغرافيتونات الثقيلة مع الجسيمات المضيئة هو تفاعل ضعيف جدا وهو تفاعل ثقالى محض وهذا عكس الويمب مثلا الذى رغم ان تفاعله مع الذرات هو ايضا ضعيف الا انه يتفاعل معها عبر القوى الاخرى ايضا.
هذا التفاعل الضعيف بين الغرافيتونات الثقيلة و الجسيمات المضيئة يؤدى ايضا الى استقرار الغرافيتونات الثقيلة اى الى تهافتها البطئ جدا بالمقارنة مع عمر الكون.
للاستزادة المرجع هنا:
No comments:
Post a Comment