استمع كاشف PandaX-4T إلى 148 كيلوغرامًا من الزينون بحثًا عن اضمحلال قد يكشف طبيعة النيوترينو، فلم يسمع سوى الخلفية.
تخيل غرفة يتحدث فيها مئات الأشخاص في آن واحد، وأنت تحاول سماع سقوط إبرة. هكذا بالضبط استمع فيزيائيو تعاونية PandaX-4T إلى الصمت داخل 3.7 طن من الزينون السائل. «إبرتهم» هي الاضمحلال الرباعي بيتا الخالي من النيوترينو للزينون-136، وهو حدث نادر لدرجة أنه خلال سنة في كيلوغرام واحد من المادة قد لا يضمحل حتى ذرة واحدة. يقع الكاشف عميقًا تحت الأرض، في مختبر جينبينغ الصيني، حيث تخفت الكتلة الصخرية الضجيج الكوني.
لماذا الرباعي تحديدًا؟ لطالما بحث العلماء عن الاضمحلال الثنائي بيتا الخالي من النيوترينو، لأنه سيشير إلى الطبيعة الماجورانية للنيوترينو، أي أن النيوترينو يكون مضاد جسيم لنفسه. لكن عقودًا من البحث لم تسفر عن نتيجة. في عام 2013 اقترح الفيزيائيان هيك وروديخوهان البحث عن الاضمحلال الرباعي: فهو ممكن حتى للنيوترينو الديراكي، الذي يختلف عن مضاد جسيمه. وإذا وُجد الاضمحلال الرباعي ولم يوجد الثنائي، فسيكون ذلك حجة قوية لصالح الطبيعة الديراكية.
لكي نلتقط إشارة بهذا الضعف، لا يكفي إزالة الضجيج الخارجي، بل يجب أن نعرف بدقة كيف يبدو صوت الجهاز نفسه. جمع العلماء بيانات جلستين لتشغيل الكاشف: جلسة التشغيل التجريبي وأول جلسة علمية. بلغ التعرض الإجمالي 148.4 كيلوغرام-سنة لنظير الزينون-136. وسّعوا نطاق البحث إلى طاقات من 20 إلى 140 كيلوإلكترون فولت، ليشملوا القمة المتوقعة عند 79 كيلوإلكترون فولت. ثم حاكوا كل مصادر الخلفية الممكنة: شوائب الكريبتون-85 والرادون، والاضمحلال الثنائي بيتا للزينون نفسه، والالتقاط الإلكتروني الثنائي للزينون-124، وحتى النيوترينوات الشمسية.
ما هو الكيلوغرام-سنة؟ إنه مقياس الحساسية المتراكمة. كيلوغرام-سنة واحد يعني أن الكاشف عمل سنة كاملة بكيلوغرام واحد من المادة. إذا كان لديك 148 كيلوغرامًا من الزينون-136، فخلال سنة من الرصد ستجمع 148 كيلوغرام-سنة. وكلما زاد هذا الرقم، ارتفع احتمال التقاط حدث نادر.
كانت نتيجة الاستماع صمتًا. لم يظهر في الطيف أي زيادة ذات دلالة إحصائية فوق الخلفية. لكن هذا الصمت سمح بوضع حد جديد: عمر النصف للاضمحلال الرباعي بيتا الخالي من النيوترينو للزينون-136 أكبر من 6.01×10²⁴ سنة. هذا أكثر صرامة من الحد السابق الذي وضعه كاشف XMASS بمعامل 1.6 مرة. ويمكن الآن القول بثقة: إذا كان هذا الاضمحلال يحدث فعلًا، فسيتعين انتظاره مدة أطول من عمر الكون بـ 400 تريليون مرة.
لا يجيب هذا الصمت بعد عن السؤال الرئيسي حول طبيعة النيوترينو، لكنه يضيّق المجال أمام المنظرين. النماذج التي تنبأت باضمحلال رباعي أسرع أصبحت الآن مستبعدة. أما البحث نفسه فيتواصل: أمامنا تحليل بيانات الجلسة العلمية الثانية لـ PandaX-4T، وبناء كاشف PandaX-xT بكتلة تبلغ عشرات الأطنان. وربما، في صمت أعمق، تسقط الإبرة أخيرًا.
عمر النصف 6,01×10²⁴ سنة أكبر من عمر الكون بـ 400 تريليون مرة. ولو حدث هذا الاضمحلال، لما اضمحل في كيلوغرام من الزينون-136 أكثر من ذرة واحدة في السنة.
في رواية «مشكلة الأجسام الثلاثة» لليو تسيشين، تُستخدم النيوترينوات للتواصل مع حضارة خارج الأرض. والبحث عن أندر الاضمحلالات، مثل 0ν4β، يشبه محاولات التقاط إشارات تكاد لا تُحس من أعماق عالم الجسيمات الدقيقة.