تجربة أطلس

في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) تُصطدم البروتونات، وأحياناً بين الحطام يظهر جسيم ثقيل — بارون لامدا. هذا بارون، أي جسيم يتكون من ثلاثة كواركات، مثل البروتون أو النيوترون، لكنه يحتوي على كوارك غريب أثقل. يعيش بارون لامدا لجزء ضئيل من الثانية ثم يضمحل إلى جسيمات أخرى.

ثلاث كرات بلياردو بعد اصطدامها تتناثر على الطاولة — مساراتها تعتمد فقط على الدفعة الأولية. لكن في عالم النوى الذرية، الأمور أكثر تعقيدًا: الجسيمات تشعر ببعضها البعض أثناء الحركة، حتى لو لم تكن مرتبطة في كل واحد. لفترة طويلة، تمكن الفيزيائيون من قياس التفاعلات الثنائية فقط، أما ما يحدث عندما يلتقي ثلاثة أجسام فبقي خارج الإطار.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون. وجودها يُستدل عليه من تأثيرها الجاذبي على حركة النجوم والمجرات، لكن تكوين هذا الهيكل يظل لغزًا. إحدى الفرضيات هي جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. وهي بالكاد تتفاعل مع المادة العادية، لكنها في حالات نادرة قد تُظهر نفسها.

في أعماق كاشف ATLAS، كما لو كان داخل ترمس عملاق، يتموج الأرجون السائل — سائل شفاف عند درجة حرارة ناقص 184 درجة مئوية. عندما يمر جسيم عبره، تنشأ إشارة كهربائية ضعيفة تشبه دفقة هادئة. لسماعها يساعد رقاقة ALFE2 الجديدة — وهي دائرة كهربائية دقيقة بأربع قنوات تضخيم. كل قناة تعمل كمضخم صوتي بمقبضي تحكم في مستوى الصوت، لتغطية الهمس والصراخ معًا.

اندفع 3I/ATLAS إلى نظامنا الشمسي كضيف غير مدعو، هدية من القدر لصائدي الذكاء خارج الأرض. هذا المتجول شبيه المذنبات القادم من أعماق المجرة مر قريبًا بما يكفي ليُسمع بكل تفاصيله – على عكس الكواكب الخارجية البعيدة.

في صمت تام، يجب أن نسمع سقوط زغبة. لكن هناك من يثير ضجيجًا بكيس بلاستيكي. بالنسبة لمرصد LISA الفضائي، سيكون هذا "الضجيج" هو الجسيمات المشحونة القادمة من الفضاء. LISA هي ثلاثة أقمار صناعية تقيس بالليزر المسافة بين مكعبات من الذهب والبلاتين تطفو بحرية داخلها. عندما تصل موجة ثقالية، يتمدد الفضاء قليلًا، وتتغير المسافة. لكن الرياح الشمسية والأشعة المجرية تقصف المكعبات.

جسيم مشحون يندفع عبر مستشعر سيليكوني تاركًا خلفه أثرًا من الإلكترونات الحرة. الزمن الذي تستغرقه هذه الشحنة للتجمع على القطب يعتمد على مدى عمق ولادتها داخل بلورة السيليكون. الجسيم الذي يدخل عموديًا يرسم مسارات متطابقة في البكسلات المتجاورة، فتصل إشاراتها بشكل شبه متزامن.

اقترح الفيزيائيون تجربة: يؤدي فيها شعاع الليزر دور كاشف كمومي وينقسم إلى شعاعين - أذنين. تُوجَّه كل أذن عبر غيمة صغيرة من الذرات فائقة البرودة - في هذه الحالة، تندمج الذرات في موجة واحدة. الغيمتان متباعدتان، بحيث يصبح الكاشف في حالة تراكب - وكأنه يستمع إلى الحقل من موقعين في آنٍ واحد.

عندما تُسخن المادة إلى ملايين الدرجات، تتحول إلى بلازما — خليط من الإلكترونات الحرة والأيونات، يشبه حساءً يغلي من الجسيمات المشحونة. لا يمكن النظر إلى هذا «الحساء» بميزان حرارة عادي، ولكن يمكن تسليط الأشعة السينية عليه.

قطرات الزيت في المرق المغلي عادةً ما تتباعد، ولكن إذا اصطدمت ببطء شديد، فقد تلتصق ببعضها للحظة. شيء مشابه يحدث مع كواركات القمة - أثقل اللبنات المعروفة للمادة. في بيانات الجولة الثانية من تشغيل مصادم الهادرونات الكبير (2015-2018)، سجل كاشف ATLAS فائضًا واضحًا في أزواج كوارك القمة-كوارك مضاد القمة التي تولد تقريبًا بدون حركة نسبية بينها.

عندما يطير جسيمان بسرعة متقاربة تقريبًا في الاتجاه نفسه، تندمج إشاراتهما في الكاشف، مثل صوتين في انسجام تام. تمييز الثنائي عن العازف المنفرد فنٌّ بحد ذاته. في مصادم الهادرونات الكبير، يُولَد الإلكترون ونقيضه البوزيترون أحيانًا بزخم يجعل طاقتيهما تتجمعان في كتلة واحدة في المسعّر (calorimeter) — الجهاز الذي يقيس طاقة الجسيمات.

الأشعة الكونية هي جسيمات تصل إلينا من الفضاء السحيق. عندما يصطدم أحد هذه الجسيمات بالغلاف الجوي، يولد زخة كاملة من جسيمات جديدة — تماماً مثل كرة البلياردو التي تحطم مثلث الكرات فتتناثر الكرات في كل اتجاه. للتنبؤ بشكل هذه الزخة، نحتاج إلى معرفة كيفية تفاعل الجسيم الأساسي مع أنوية ذرات الهواء.

طريق دائري حول الشمس، لا تسير عليه السيارات بل كتل من المادة. قطر هذا الطريق سنوات ضوئية: إنه يحيط بنظامنا الكوكبي عند حدوده الخارجية، في سحابة أورت، حيث لا يزال جاذبية النجم محسوسًا بشكل ضعيف. هذا هو حجم الجهاز الذي تقترح مجموعة من الفيزيائيين بنائه لدراسة بوزون هيغز والبحث عن جسيمات جديدة.

يضرب الليزر شبكة زجاجية صغيرة، فتمر الإلكترونات عبرها وتتسارع. لا يمكن النظر إلى الداخل، لذلك يُستدل على ما يحدث من طاقة الإلكترونات بعد التسارع — تمامًا كما يُستدل على شكل الحجر من رذاذ الماء المتطاير عند رميه. بنى العلماء توأمًا رقميًا: نموذجًا حاسوبيًا يحاكي سلوك المسرع الحقيقي. مرّروا عبره آلاف الأنماط من نبضات الليزر وحصلوا على آلاف الأطياف الطاقية.

جسيمان يبتعدان في اتجاهين متعاكسين يتصرفان ككيان واحد: قياس أحدهما يحدد حالة الآخر فورًا. هذا التشابك الكمومي معروف منذ زمن طويل للجسيمات الخفيفة، لكنه الآن رُصد لأول مرة في بوزونات Z الثقيلة — حاملات القوة الضعيفة.

في المطبخ، يمر شعاعا مصباحين يدويين عبر بعضهما البعض دون أن يلاحظ أحدهما الآخر. الضوء لا يكاد يتفاعل مع الضوء. ولكن إذا تم تسريع الجسيمات إلى طاقات هائلة، يمكن لفوتونين أن يصطدما ويولدا شيئاً جديداً.

في مصادم الهادرونات الكبير، تصطدم البروتونات بسرعة تقارب سرعة الضوء. أحيانًا لا تتحطم، بل تتبادل فوتونات — جسيمات الضوء. هذه الفوتونات يمكن أن تولد زوجًا: جسيمًا يراه الكاشف، وآخر يطير دون أن يُلاحظ. هذه العملية تشبه لعبة البلياردو، حيث بعد الضربة تبقى كرة على الطاولة وتختفي الأخرى في الجيب دون أن تترك أثرًا.

في كاشف أطلس (ATLAS) في مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات بطاقة هائلة، وفي بعض الأحيان يولد بين الحطام بوزون هيغز — الجسيم الذي يمنح الكتلة للجسيمات الأخرى.

تاو-ليبتون هو قريب ثقيل للإلكترون، يعيش أقل من تريليون جزء من الثانية. عادةً ما يتحلل إلى جسيمات أخف، لكنه لا يتحلل أبدًا إلى ثلاثة ميونات دفعة واحدة: هذا الانتقال محظور بالقوانين المعروفة لفيزياء الجسيمات. إذا حدث، لكان ذلك يعني أن قوى غير معروفة تعمل في الطبيعة.

في حلقة تحت الأرض يبلغ طولها 27 كيلومترًا، تُسرَّع البروتونات إلى سرعة تقارب سرعة الضوء وتُصطدم وجهاً لوجه. عند نقطة الاصطدام، تنشأ لحظيًا ظروف مشابهة لتلك التي كانت سائدة في أول تريليون جزء من الثانية بعد نشأة الكون. كاشف CMS — آلة متعددة الطوابق مصنوعة من السيليكون والرصاص والمغناطيسات فائقة التوصيل — يلتقط حطام هذه الاصطدامات.

في كاشف أطلس (ATLAS) بمصادم الهدرونات الكبير، تترك الجسيمات آثارًا مثلما يترك المتزلجون آثارًا على الثلج. بعض الآثار تنقطع بعد بضعة سنتيمترات — هكذا قد يبدو أثر جسيم وُلد، وطار قليلًا، ثم اضمحل إلى شيء غير مرئي. بحث الفيزيائيون تحديدًا عن هذه "الآثار المتلاشية" في بيانات تصادمات البروتونات بطاقة 13 تيرا إلكترون فولت.

في غرفة مظلمة، حيث تبلغ درجة الحرارة أربع درجات فقط فوق الصفر المطلق، توجد بلورة ياقوت بحجم حبة أرز. عندما يمر عبرها نيوترينو — جسيم شبح لا يكاد يتفاعل مع المادة — تهتز البلورة وترتفع حرارتها بمقدار ضئيل جدًا من الدرجة. تلتقط أجهزة استشعار فائقة الحساسية عند حواف البلورة هذا الاستجابة الحرارية. لكن الجهاز لا يسمع النيوترينوات فقط.

في تصادمات النوى الثقيلة، تتولد كرة نار من آلاف الجسيمات. ومن بينها البيونات والكاونات، وهما نوعان من الجسيمات الخفيفة المتشابهة جدًا. لفهم ما يحدث في هذه الكرة النارية، يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة دقيقة بعدد الجسيمات المنطلقة من كل نوع.

مضاد بروتون واحد محبوس في مصيدة ومبرد إلى ما يقارب الصفر المطلق يتصرف مثل شوكة رنانة يجب أن تُضرب بدقة شديدة لتسمع صوتًا نقيًا. التقاط هذا "الصوت" مباشرة شبه مستحيل — الإشارة ضعيفة جدًا. فيزيائيو تعاون BASE ابتكروا حيلة ذكية: بجانب مضاد البروتون في نفس المصيدة يوجد أيون بيريليوم أيون يعمل كميكروفون حساس.

في أعماق مصادم الهادرونات الكبير، تصطدم نوى الرصاص بقوة هائلة لدرجة أنها تولد للحظة مادة أسخن من الشمس. هذه هي بلازما الكوارك-غلوون (Quark-Gluon Plasma) — حساء من أصغر لبنات المادة، والتي لم توجد إلا في أول ميكروثانية بعد الانفجار العظيم.

في كاشف أطلس (ATLAS) بمصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات مليارات المرات في الثانية. ومن بين هذا التدفق، التقط الفيزيائيون ثمانية أحداث نشأت فيها بعد الاصطدام بوزونات Z اثنان وفوتون واحد.

داخل مصادم الهادرونات الكبير، تتسارع البروتونات حتى تقترب من سرعة الضوء وتتصادم وجهاً لوجه. عند نقطة التصادم، تتولد لحظياً كتلة من الطاقة يمكن أن تنبثق منها جسيمات جديدة. أحد أثقل هذه الجسيمات هو كوارك القمة. إنه أثقل من البروتون بمقدار 180 مرة، ويعيش لفترة أقصر من الزمن الذي يحتاجه الضوء لعبور نواة الذرة.

المسافرون بين النجوم هم صخور وكتل جليدية انطلقت من أنظمتها الكوكبية الأصلية وتطير الآن عبر المجرة. أول ضيف من هذا القبيل، أومواموا، مرّ بالقرب من الشمس في عام 2017، وتبعه مذنب بوريسوف وجسم ATLAS. من أين تأتي؟ في أغلب الأحيان تقذفها جاذبية الكواكب العملاقة — مثل حصاة من مقلاع إذا أُديرت بسرعة كبيرة. أخذ مؤلفو العمل مسألة مبسطة: نجم، وكوكب ضخم واحد، وجسم صغير.

في القاعة تحت الأرض في فيرميلاب، يوجد خزان ضخم مملوء بالأرجون السائل، وهو سائل شفاف عند درجة حرارة سالب 186 درجة. عندما يدخل جسيم نيوترينو غير مرئي إلى هذا الخزان، فإنه أحيانًا يصطدم بنواة الأرجون، فيظهر أثر قصير من الجسيمات المشحونة. يلتقط كاشف MicroBooNE هذه الومضات منذ عدة سنوات وقد جمع مئات الآلاف من التسجيلات.

في المسرعات العملاقة، تطير الجسيمات بسرعة تقارب سرعة الضوء وتتصادم وجهًا لوجه. لكن في بعض الأحيان تكون إحدى الحزم أكثر كثافة قليلاً من الأخرى — كما لو أن شخصًا ما وقف في الاتجاه الخاطئ على سلم كهربائي مزدحم. عندها تكون التصادمات غير متساوية، وتبدأ الأجهزة في "الوميض"، مما يخل بالقياسات. لمنع ذلك، يجب التحكم في كثافة الحزم بدقة شديدة. يقترح العلماء استخدام الليزر لهذا الغرض.

حجر صغير يسقط في بركة، فتنتشر دوائر على سطح الماء. لكن في بعض الأحيان، لا يغوص الحجر فورًا إلى القاع: بل ينزلق تحت السطح، ويقطع عدة أمتار، ثم يطفو أخيرًا، مولدًا دوائر في مكان غير متوقع. هكذا يبحث الفيزيائيون عن الجسيمات طويلة العمر: فهي تولد في تصادم البروتونات، وتطير عبر الكاشف دون أن تُلاحظ، ثم تتحلل إلى جسيمات عادية بعيدًا عن نقطة ولادتها.

داخل البروتونات المسرَّعة إلى سرعة تقارب سرعة الضوء، يُولد أحيانًا جسيم أثقل من ذرة الذهب، وهو كوارك القمة. يعيش هذا الجسيم أجزاء من الثانية فقط ثم يضمحل، تاركًا أثرًا في كاشف أطلس (ATLAS). جمع الفيزيائيون هذه الآثار على مدى أربع سنوات لفهم مدى تكرار ظهور كوارك القمة ونقيضه المرآتي، كوارك الضديد.

في مختبر DESY، أُطلق تجربة ALPS II للبحث عن الأكسيونات — وهي جسيمات افتراضية شبحية قد تتكون منها المادة المظلمة. تعمل هذه الكتلة غير المرئية كهيكل يمنع المجرات من التشتت بفعل الدوران. اكتشاف الأكسيون سيعني اختراقًا لما وراء جدول الجسيمات الأولية الحالي.

في عام 1976، طرح الفيزيائي الكندي بيل أونروه سؤالًا بسيطًا: ماذا يرى المراقب الذي يتسارع في الفراغ؟ وكان الجواب غريبًا: الفراغ يتوقف عن كونه فارغًا. المراقب المتسارع ينغمس في إشعاع حراري بدرجة حرارة تتناسب مع التسارع. لتسارع مقداره $$10^{20}$$ g، أي أكبر بمليارات المرات من تسارع الجاذبية الأرضية، تبلغ هذه الدرجة حوالي 4000 كلفن، مثل سطح نجم أحمر. لكنها تولد من فراغ خالص.