اقتران أكسيون-فوتون

في قبو المختبر، يُصدر مغناطيس بقوة 8 تسلا طنيناً. داخله، مثل جرس في برج جرس، يعلق أسطوانة نحاسية مجوفة مضبوطة على نغمة واحدة فريدة. إذا مرّ أكسيون قريباً، وهو جسيم من المادة المظلمة، تستجيب الأسطوانة برنين خافت. المشكلة أن النحاس العادي يخمد هذا الرنين: عند الترددات العالية، يسري التيار فقط في طبقة رقيقة من سطح المعدن، فتزداد الخسائر.

الكون المبكر يشبه مرجلًا يغلي، حيث تتولد الجسيمات والجسيمات المضادة وتفني بعضها بنسب متساوية. لكن اليوم لا نرى حولنا سوى المادة — النجوم، الكواكب، ونحن أنفسنا. كيف نشأ فائض ضئيل بمقدار جزء من مليار من المساواة الأصلية؟ أحد الإجابات يختبئ في اهتزازات مجال ثقيل، يشبه صخرة يغمرها المد ثم يكشفها.

يصلنا الضوء القادم من أشد مراحل الكون حرارة منذ ما يقرب من 14 مليار سنة. هذا هو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي — توهج خافت يملأ السماء كلها، أشبه بـ«صدى» الانفجار العظيم. مؤخرًا، لاحظ الفلكيون أمرًا غريبًا: استقطابه الاستقطاب — أي اتجاه اهتزاز المجال الكهربائي — يبدو منعطفًا بنحو 0.3 درجة. وكأن أحدهم أدار مقبضًا خفيًا قليلًا.

في الكسر الأول من الثانية بعد الانفجار العظيم، تمدد الكون بسرعة لا يمكن تصورها. ربما كان المحرك وراء هذا التمدد حقلًا يشبه كرة تتدحرج ببطء — يُدعى الأكسيون. خصوصية الأكسيون أنه، مثل قائد الأوركسترا، قادر على هز الموجات الكهرومغناطيسية، مولّدًا إياها حرفيًا من الفراغ.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تمدد الكون بسرعة هائلة — هذه المرحلة تُسمى التضخم الكوني. حتى الفراغ لم يكن هادئًا حينها: هزّات كمية كانت تُرجّح الحقول، مثلما تُحرك الريح سنابل الحقل. أحد هذه الحقول — حقل هيغز المظلم — ربما انحرف عشوائيًا عن وضعه الأكثر استقرارًا. عندما انتهى التضخم، بدأ هذا الحقل يتأرجح ويتحلل، مولّدًا جسيمات — فوتونات مظلمة.

على بُعد 123 فرسخًا فلكيًا من الأرض، في كوكبة الإكليل الجنوبي، يسبح النجم النيوتروني RX J1856.5-3754. قطره حوالي 12 كيلومترًا، أي أصغر من الطريق الدائري حول موسكو، لكن درجة حرارة سطحه تصل إلى 460,000 كلفن. يقوم النجم بزفير بطيء، يكاد لا يُسمع. هذا الزفير ليس تنفسًا عاديًا، بل تدفق من الجسيمات غير المرئية التي تمر عبرنا كل ثانية دون أن تمس الذرات.

المنارة في البحر المفتوح لا تدور فقط — بل مصباحها نفسه يخفت ويشتعل من تلقاء نفسه. تقريبًا هكذا تتصرف الأقزام البيضاء المغناطيسية، وهي بقايا نجوم فائقة الكثافة مثل شمسنا. يمكن لمجالاتها المغناطيسية القوية تحويل الضوء إلى أكسيونات — جسيمات افتراضية قد تفسر الكتلة الخفية للكون.

تخيل شعاعًا أخضر يمر عبر ترتيب بصري معقد فيلتف ليشكل قمعًا ضوئيًا ثلاثي الأبعاد - دوامة بصرية. في قلبها، كما في عين الإعصار، تنخفض الشدة إلى الصفر. هناك تختفي الفوتونات. لكن بعد بضعة مليمترات تعود للحياة - الطاقة لا تفقد، بل تقفز قفزة قصيرة إلى المجهول توصف بالضبط بأنها تحول إلى أكسيون ثم العودة. هذا ما تتنبأ به النموذج القياسي وامتداداته.

منذ أن اكتشف شاول بيرلموتر وزملاؤه تسارع تمدد الكون، ظل الفيزيائيون في حيرة بشأن طبيعة الطاقة المظلمة. وتأتي بيانات DESI الجديدة لتُشعل الموقف: إذ تُظهر خريطة الانزياحات الحمراء للمجرات أن الطاقة المظلمة ربما تتطور مع الزمن وتغوص أحيانًا في نطاق w < –1.

النموذج القياسي لعلم الكون، المعتمد على معادلات المجال التي اقترحها أينشتاين، يصف الكون كمزيج من المادة المظلمة (التي اكتُشفت بفضل فيرا روبين) والطاقة المظلمة بنسبة تقارب 1:3.

في الكون المبكر، قد تكون نشأت ثقوب سوداء صغيرة جدًا — بكتلة جبل، ولكن بحجم نواة ذرية. اليوم، يمكنها أن تعمل كمصانع للمادة المظلمة المادة المظلمة. هناك آليتان: التبخر المعتاد (إشعاع هوكينغ) والإشعاع الفائق الأقل شهرة.

أوركسترا مضبوطة بإتقان، حيث يعزف كل آلة بدقة لا تشوبها شائبة، وتحاول العزف في قاعة صاخبة. هذا الضجيج هو الجاذبية الكمومية، تموجات الزمكان على المستوى المجهري. إنها تحاول باستمرار إرباك الموسيقيين. الأكسيونات، الجسيمات المرشحة لتكون المادة المظلمة، هي تلك الموسيقى. وجودها محمي بتماثل خاص، لكن الجاذبية على المستوى الكمومي تدمر هذه الحماية.

حجر صغير يسقط في بركة — فتنتشر دوائر على الماء. لكن إحدى الموجات فجأة لا تتباعد، بل تلتصق بطية غير مرئية على السطح وتجري على طولها فقط. شيئًا مشابهًا اكتشفه الفيزيائيون عندما أعادوا حساب لقاء الضوء مع جدار مجال أكسيوني — منطقة ضيقة حيث يتغير المجال إشارته، مثل سلسلة جبلية تفصل بين منحدرين.

المصباح العادي يضيء إلى الأمام والخلف بالتساوي. أما في البلورات المغناطيسية، فينشأ أكسيون — إثارة شبحية تشبه الموجة في المدرج: تنقل الذرات بينها دافعًا مغناطيسيًا. عندما يلتقي الضوء بالأكسيون، يتكون هجين يعتمد مصيره على المجالين الكهربائي والمغناطيسي.

نوى الذرات ليست دائمًا ككرات البلياردو — فهذا التشبيه نستخدمه فقط للتبسيط. في الواقع، بعض النوى ممدودة كالسجائر، وبعضها الآخر مفلطحة كالأقراص. أما نواة الزينون-129 فشكلها يشبه حبة البطاطا — فهي مجسّم إهليلجي ثلاثي المحاور (triaxial ellipsoid)، أي شكل تختلف أطوال محاوره الثلاثة.

في مسرع SuperKEKB تُصطدم الإلكترونات مع البوزيترونات، وبين الحطام تُعثر على بوزونات B. هذه الجسيمات الثقيلة لا تعمر طويلاً وتتفكك إلى جسيمات أخف. مؤخرًا، رصد كاشف Belle II عددًا مريبًا من الحالات التي يتحول فيها بوزون B إلى بوزون K (كاون) وشيء غير مرئي — بزيادة قدرها 2.7 سيغما عن المتوقع. الأمر أشبه بخباز يزن أرغفة الخبز ويجد في كل مرة زيادة 30 غرامًا عن المعتاد — قد يبدو الأمر تافهًا، لكنه منهجي.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون مرجلًا يغلي. ولكن وفقًا لفرضية جديدة، برد فجأة لفترة قصيرة — أكثر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. في هذا العالم الجليدي، توقفت جسيمات المادة المظلمة، التي تشبه بندولات صغيرة، عن الحركة ولم تبدأ تذبذباتها.

حبل مطاطي سميك يُلف ويلف حتى يصل إلى نقطة الانهيار. عندها لا يتحمل، فيتمزق ويضرب في كل اتجاه، محررًا الطاقة المختزنة. هذا ما تفعله المجالات المغناطيسية داخل النجوم النيوترونية — البقايا فائقة الكثافة للنجوم المنفجرة. عندما تتمزق خطوط المجال وتعيد الاتصال فورًا (وهذه العملية تسمى إعادة الاتصال المغناطيسي)، تندفع الطاقة إلى الخارج. ولكن ليس فقط على شكل حرارة أو ضوء.

حلقة صغيرة من موصل فائق، مبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، قد تستشعر لمسة جسيم أخف بمليارات المرات من الإلكترون. الحديث هنا عن الأكسيون — الجسيم الافتراضي الذي قد يشكل المادة المظلمة المالئة للكون.

في غرفة مظلمة، يومض مصباح غير مرئي. ضوءه ليس كالمعتاد: ليس له سطوع ثابت، بل ومضات نادرة لكنها قوية. هذا هو الفراغ المضغوط الساطع — حالة من الضوء لا توجد فيها موجة عادية، ولكن توجد تقلبات كمومية قوية. وبهذا الضوء تحديدًا قصف الفيزيائيون ذرات الزينون. كل ومضة تقذف إلكترونًا من الذرة إلكترون. تتجمع مسارات الجسيمات المنبعثة في أنماط غريبة تشبه نسيج العنكبوت.

بعد موت نجم ضخم، يحدث انفجار مستعر أعظم — بقوة تجعل وميضه أكثر سطوعًا من مجرة بأكملها. في هذا اللهيب، تولد مليارات الأكسيونات — جسيمات خفية لا تكاد تترك أي أثر. في كل ثانية، تمر عبر كل واحد منا تريليونات من هذه الجسيمات الدقيقة دون أن تُلاحظ أبدًا. يُعتقد أن هذه الخفايا هي المادة المظلمة — المادة الخفية التي تمنع المجرات من التشتت.

في بلورة تيتانات الباريوم يوجد مجال كهربائي مدمج — مثل المغناطيس الدائم، لكن للشحنات. عندما يصل وميض ضوء إلى هناك، يقتلع الإلكترونات، فتبدأ في التخبط وتصطدم بالذرات. لكن البلورة ليست متشابهة في جميع الاتجاهات: لها محور يكون فيه المجال أقوى.

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.

نجم نيوتروني بحجم مدينة يدور ثلاثين دورة في الثانية. مجاله المغناطيسي أقوى بتريليونات المرات من مجال الأرض. هذه الظروف قادرة على توليد سحابة من الأكسيونات حول النجم — جسيمات خفيفة لم يلتقطها أي كاشف حتى الآن، لكنها تفسر جيدًا الكتلة الخفية للكون. تتفاعل الأكسيونات مع الضوء: في مجال مغناطيسي قوي، تُدير قليلًا مستوى اهتزاز الموجة الكهرومغناطيسية.

غشاء رقيق من زرنيخيد الإنديوم موضوع على ركيزة عازلة يتصرف مثل ترمس مزدوج الجدران: الإلكترونات بداخله لا تنقل الحرارة تقريبًا إلى البلورة المحيطة. في المعدن العادي، تتبادل الإلكترونات الطاقة بسرعة مع اهتزازات الذرات، لذا تكون درجة حرارتها دائمًا قريبة من درجة حرارة العينة.

في مصادم الهادرونات الكبير، يقوم الفيزيائيون بتسريع البروتونات إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء ثم يصادمونها. عادةً، تشارك البروتونات نفسها في هذه التصادمات، لكن في بعض الأحيان تمر بالقرب من بعضها دون أن تلامس، وتتفاعل مجالاتها الكهربائية. يمكن تصور هذه المجالات كسحب من الفوتونات — جسيمات الضوء — التي تحيط بكل بروتون.

في المعهد الهنغاري لأبحاث النواة ATOMKI، لاحظ الفيزيائيون شيئًا غريبًا: في اضمحلال نوى ذرية مثارة، تتولد أحيانًا أزواج من الإلكترون والبوزيترون تتناثر بزاوية غير عادية. وكأن هناك جسيمًا وسيطًا غير مرئي يختبئ بينهما، يظهر للحظة ثم يختفي.

الضوء العادي هو تيار من الجسيمات المستقلة: تمر الفوتونات عبر بعضها البعض دون أن تلاحظ جيرانها. لكن في الدوائر فائقة التوصيل، المبردة إلى ما يقرب من الصفر المطلق، يتغير الوضع. هناك، تسافر الفوتونات عبر مسارات ضيقة من المعدن، وإذا تم دمج عناصر صغيرة تسمى وصلات جوزيفسون (Josephson junctions) في هذه المسارات، يبدأ الضوء في «إدراك» نفسه.

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.

تشير بيانات مسح المجرات DESI إلى أن الطاقة المظلمة — المادة الغامضة التي تسبب تسارع توسع الكون — كانت في الماضي أقوى مما هي عليه اليوم. هذا السلوك «الشبحى»، حيث تزداد كثافة الطاقة بمرور الوقت، يهدد الكون بتمزق كبير — نهاية تتفكك فيها حتى الذرات تحت تأثير تنافر متزايد. لكن نموذج KMIX يفسر هذا على أنه وهم.

داخل كل خلية حية تحدث تحولات كيميائية باستمرار. بعضها ينتج جسيمات غير مستقرة، تتصرف إلكتروناتها مثل مغناطيسات صغيرة مزدوجة. تفاعلها يشبه رقصة: كل حركة للزوج تستجيب للمجالات المغناطيسية الخارجية، كإيقاع متغير. كانت رؤية هذه الرقصة مباشرة متعذرة بسبب خفائها. أما الآن، فيقوم العلماء بتسليط زوج من ومضات الليزر فائقة القصر على الخلية.

رصد مقياس الراديو ARCADE2 على منطاد على ارتفاع عالٍ إشعاعًا راديويًا زائدًا، بينما سجلت التجربة الأرضية EDGES انخفاضًا عميقًا بشكل شاذ في طيف الهيدروجين عند 21 سم. كلتا الإشارتين لا تتناسبان مع النموذج الكوني القياسي وتشيران إلى مصدر غير معروف للفوتونات الناعمة.