بيسي الثالث

في عمق الجبل، حيث تُخفت طبقات الصخر ميونات الأشعة الكونية، يقف كاشف يلتقط لا الضوء بل غيابه. البوزيترونيوم ذرّة صغيرة يدور فيها الإلكترون مع جسيمه المضاد، البوزيترون، حول بعضهما كما يفعل راقصان. عادةً يلتقيان ويتلاشيان في وميض من كمّين أو ثلاثة من كمّات غاما. لكن أحيانًا، كما يفترض المنظّرون، يُولد بدل الوميض شيء يحمل الطاقة معه دون أي أثر.

يعيش السيليكون-25 لمدة 219 مللي ثانية فقط. خلال هذا الوقت، يتمكن من إصدار جسيم بيتا، وأحيانًا بروتونًا لاحقًا. هذه البروتونات، التي تنطلق من النواة بعد تحلل بيتا، أصبحت المعيار للمجهر الجديد الذي بناه الفيزيائيون على مسرع FRIB.

لمدة ثلاثة أيام متتالية، ضرب الليزر نفثًا من الغاز، وفي كل ثانية وُلدت حزمة إلكترونات بطاقة تعادل طاقة برق صغير. في السابق، كانت هذه الحزم لا تُنتَج إلا في قاعات ضخمة حيث يشغل المسرّع مبنى بأكمله. الآن، الجهاز بأكمله يتسع في غرفة واحدة وعمل دون انقطاع لمدة 72 ساعة. السر يكمن في أن نبضة الليزر تضغط في الغاز موجة — مثل قارب يترك خلفه أثرًا.

عالم الآثار يزيل الطبقات بحذر، وكل طبقة جديدة في موقع تشارمونيوم هي اضمحلال نادر يلتقطه الكاشف. التشارمونيوم — حالة مرتبطة من كوارك ساحر وكواركه المضاد — يعيش لأجزاء من الثانية، لكنه يروي لنا عن القوى التي تربط الكواركات معًا. هذه المرة، تم الكشف عن قناتين جديدتين: J/ψ → Σ0Σ̄0η و ψ(3686) → Σ0Σ̄0η. احتمال الأولى هو 7.5 فرصة من 100,000، والثانية 1.3 فرصة من 100,000.

عندما يضمحل الجسيم ψ(2S) إلى بروتون ومضاد بروتون، تعمل آليتان أساسيتان في وقت واحد: التفاعل القوي، الذي يعمل مثل الغراء الذي يمسك الكواركات داخل الهادرونات، والتفاعل الكهرومغناطيسي، الذي يصف تفاعل الجسيمات المشحونة مثل الضوء. مساهماتهما في سعة الاضمحلال تُجمع مع إزاحة طور نسبية معينة.

ذرة الهيليوم تشبه وترًا مشدودًا بإحكام: كل نغمة تصدرها متوقعة بدقة من نظرية الكم. لكن في السنوات الأخيرة، أصبحت القياسات الدقيقة لإحدى هذه «النغمات» — وهي طاقة تأين ذرة الهيليوم المثارة، أي الطاقة اللازمة لانتزاع إلكترون من الحالة المثارة — أعلى قليلًا مما ينبغي.

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.

لطالما بحث علماء الفلك عن 'مصانع' لأكثر الأشعة الكونية طاقة - جسيمات تحمل في طياتها عالما كبيرا مضغوطا إلى حجم نواة الذرة. كانت الشبهات تدور حول مناطق تشكل النجوم الضخمة مثل الدجاجة OB2، حيث تتصادم رياح العمالقة الشباب. لكن الطبيعة، كمحتال، أخفت قلب المسرع في مكان آخر - داخل نظام ثنائي ضيق.

تاو-ليبتون هو جسيم قصير العمر، قريب ثقيل للإلكترون. عندما يضمحل، تتبادل الكواركات داخله الغلوونات، كما لو كان لاعبان في غرفة مغلقة يتبادلان الكرة. لا تُرى الرميات نفسها، بل يُلاحظ فقط النتيجة النهائية — بيونان يتطايران بزوايا معينة. سابقًا، لفهم قواعد اللعبة، كان على الفيزيائيين التكهن بما يحدث في الغرفة وبناء نماذج معقدة للتفاعل القوي. وجد مؤلفو المقال حيلة ذكية.

قدر الماء يغلي دائمًا بنفس الطريقة: مئة درجة — وتبدأ الفقاعات. مع السوائل الكمومية، الأمر مختلف تمامًا. عندما تُبرَّد سحابة من الذرات إلى ما يقارب الصفر المطلق، يمكن أن تتحول إلى موجة مادة واحدة — مكثف بوز-أينشتاين. لكن الانتقال نفسه، كما اتضح، يمكن أن يكون من ثلاثة أنواع مختلفة.

محطة قطار صاخبة في ساعة الذروة. آلاف الأشخاص يسرعون، والأصوات تندمج في همهمة واحدة. وفي مكان ما وسط هذا الزحام، يحاول شخصان أن يتصافحا بمصافحة خاصة بالكاد تُلاحظ. رصد مثل هذه المصافحة شبه مستحيل.

ينفجر عرض الألعاب النارية، وتتفتت نقطة واحدة إلى أربعة شرارات في آن واحد. هذا ما يفعله بوزون Z — الجسيم الذي ينقل القوة النووية الضعيفة — عندما يتحلل إلى أربعة لبتونات مشحونة (إلكترونات أو ميونات). العملية نادرة للغاية: من بين مليون ولادة لبوزون Z، يحدث حوالي خمسة من هذه الأحداث فقط.

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.

سقوط عملة معدنية على حافتها — بهذه الندرة تقريبًا يضمحل بَيون ثقيل إلى بيون خفيف وزوج إلكترون-بوزيترون. على مدى عقد من تشغيل المصادم، لم تُجمع سوى حفنة من هذه الأحداث، لكن الفيزيائيين تمكنوا أخيرًا من رصدها. احتمال الاضمحلال بلغ حوالي 2.4×10⁻⁸.

قطرة الماء في مجال كهربائي قوي تتمدد. وكذلك تفعل نواة الديوتيريوم — زوج مرتبط من بروتون ونيوترون — لكن المجال هنا ينشأ عن كمية غاما عابرة، وبدلاً من التمدد، قد تتفكك النواة ببساطة إلى أجزاء. في مختبر SLEGS بشانغهاي، تمت دراسة هذه العملية لأول مرة على شبكة كثيفة من الطاقات — من 2.33 إلى 19.65 ميغا إلكترون فولت — وسجلوا عدد المرات التي لا تتحمل فيها النواة.

في كاشف LHCb، حيث تتصادم البروتونات، تم العثور على أثر غير عادي وسط مليارات الاضمحلالات. الجسيم الذي أُطلق عليه اسم $$D_{s1}$$(2933)^+ يظهر للحظة ثم يتفكك فورًا إلى جسيمات أخرى. حياته قصيرة جدًا لدرجة أنه لا يمكن رؤيته مباشرة — فقط من خلال نواتج الاضمحلال يمكن استنتاج أنه كان موجودًا.

في كاشف CMS بمصادم الهدرونات الكبير، اصطدمت بروتونات مُسرَّعة إلى ما يقارب سرعة الضوء. بين مليارات هذه التصادمات، بحث الفيزيائيون عن أثر نادر: ولادة جسيم ثقيل واحد يتحلل فورًا إلى بوزون W وكوارك b.

الكواركات هي لبنات صغيرة تتكون منها البروتونات والنيوترونات. عادةً ما تترابط في أزواج: جسيم ونظيره المرآتي المضاد. لكن في بعض الأحيان، تشكل الكواركات تركيبات أكثر غرابة يسميها الفيزيائيون بالجسيمات الغريبة. إحدى هذه التركيبات — الجسيم π1(1600) — شوهدت لأول مرة في اضمحلال الميزون الساحر χc1 على الكاشف BESIII في بكين. الميزون العادي يشبه زوجًا من "يد وقفاز": كوارك وكوارك مضاد.

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.

في الفترة من 2016 إلى 2018، اصطدمت البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير في سيرن بطاقة 13 تيرا إلكترون فولت — كما لو تم تسريع حبتي بازلاء إلى سرعات يجعل اصطدامهما يولد سربًا كاملًا من الجسيمات الجديدة. وفي هذا السرب، بحث الفيزيائيون عن أكثر الضيوف غرابة: ثقوب سوداء مجهرية، وعقد من الأوتار، وسفاليرونات كهروضعيفة.

في كل ثانية، تحدث في أجسامنا مليارات من الاضمحلالات، لكن لا أحد يلاحظ ذلك. أما الفيزيائيون فيلاحظون: فهم يصطدمون الجسيمات في المسرعات ويراقبون إلى أي شظايا تتطاير. وفي هذه الشظايا يختبئ الجواب عن سؤال لماذا نوجد أصلاً. فبعد ولادة الكون مباشرة، كان عدد الجسيمات والجسيمات المضادة متساوياً، لكن اليوم لا نرى حولنا إلا الجسيمات.

ميزان بكفتين متساويتين، لكن إحدى الكفتين ترجح دائمًا. في عالم الجسيمات الأولية، يُسمى هذا الرجحان بانتهاك تناظر الشحنة-التكافؤ (CP): فالجسيمات ونظيراتها المرآتية (الجسيمات المضادة) تتصرف بشكل مختلف قليلًا. هذا الاختلال، كما يعتقد الفيزيائيون، هو ما سمح للمادة بالبقاء بعد الانفجار العظيم، حين كان ينبغي للمادة والمادة المضادة أن تفني كل منهما الأخرى.

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.

في مسرع الجسيمات تحت بكين، تُصطدم الإلكترونات مع البوزيترونات، وفي لحظة تتولد جسيمات لا نجدها في المادة العادية. أحد هذه الجسيمات هو لامدا-سي-زائد: بداخله كوارك مفتون ثقيل، مثل حجر في مقلاع. الآن، شاهد الفيزيائيون لأول مرة كيف يتفكك هذا الجسيم إلى نيوترون وبيون موجب وميزون إيتا.

في اصطدامات البروتونات داخل مصادم الهادرونات الكبير، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من رصد جسيم يحمل كوَاركين ساحرَين. يُدعى هذا الجسيم Ξcc+ (يُنطق «كسي-سي-سي-زائد») ويشبه خرزة تحتوي على نواتين ثقيلتين بدلًا من واحدة. هذه الجسيمات نادرة للغاية: من بين مليارات الاصطدامات، لا يُنتج سوى عدد قليل منها مثل هذه الحالة الغريبة.

يعيش جسيم J/psi لحظة ثم يتحلل إلى جسيمات أخف، مثلما يتفكك وتر مشدود إلى قطع. التقط فيزيائيو تعاون BESIII أكثر من عشرة مليارات من هذه الاضمحلالات ليفهموا أي "القطع" تنتج. اتضح أنه في أغلب الأحيان يتحول J/psi أولاً إلى بيون محايد وميزون b1، أو إلى بيون وميزون rho(1450)، أو إلى ميزون إيتا وميزون h1. هذه الجسيمات الوسيطة تعيش أقصر وتتحلل فورًا إلى فوتون وميزون إيتا وبيون.

عندما يتحلل بوزون W (الجسيم الناقل للتفاعل الضعيف) إلى كوارك وكوارك مضاد، فإن هذين الشظيتين تطيران في نفس الاتجاه تقريبًا بسبب السرعة الهائلة للمصادم. لا يرى الكاشف جسيمين منفصلين، بل نفاثة واحدة عريضة — كما لو أن عدّاءَين عند خط النهاية يندمجان في بقعة واحدة في الصورة الفوتوغرافية. داخل هذه النفاثة تكمن معلومات عن كتلة بوزون W الأصلي.

داخل البروتون والنيوترون حياة تغلي: تتبادل الكواركات الغلوونات، وتنشأ للحظات أزواج من الجسيمات تختفي فورًا. بعضها، وهي ما تُعرف بالميزونات العددية، تعيش فقط 10⁻²³ ثانية — أقل من الوقت الذي يحتاجه الضوء لعبور نواة الذرة.

في عام 2010، حصل الفيزيائيون في مصادم الهادرونات الكبير لأول مرة على بلازما كوارك-غلوونية - حالة من المادة تكون فيها الكواركات والغلوونات حرة، مثل الماء في البخار، وليست محبوسة داخل البروتونات والنيوترونات. الآن، درست مجموعة ALICE كيف تتحرك الجسيمات المفتونة في مثل هذا الوسط - تلك التي تحتوي على كوارك c الثقيل.

جسيم شبح صغير يخترق قطعة من الجرمانيوم. عادةً لا يترك أي أثر، لكنه أحيانًا، مثل كرة البلياردو، يضرب نواة الذرة. ترتد النواة، ويمكن ملاحظة هذه الدفعة. في مختبر أوك ريدج الوطني، التقط كاشف Ge-Mini مثل هذه الارتدادات لمدة عامين. النيوترينوات هي أكثر الجسيمات المعروفة صعوبة في الإمساك بها. تمر مليارات منها عبرنا كل ثانية دون أن تصطدم بأي ذرة. لكن إذا وضعت جهازًا حساسًا جدًا، تصبح الاصطدامات النادرة مرئية.

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.

كرة زجاجية صغيرة تطفو في شعاع ليزر، مثل ذرة غبار في ضوء الشمس. بداخلها رصاص مشع يضمحل من وقت لآخر. كل اضمحلال يطرد جسيمات مشحونة، فتفقد الكرة أو تكتسب شحنة كهربائية ضئيلة. أجبر العلماء الكرة على الاهتزاز في مجال كهربائي متناوب، ومن هذه الاهتزازات حسبوا شحنتها ألف مرة في الثانية. وبجانبها كاشف يلتقط الجسيمات المنطلقة.

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 عام 2017، اصطدمت البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير بطاقة 5.02 تيرا إلكترون فولت. سجل كاشف CMS هذه التصادمات، وبين مليارات الأحداث، بحث الفيزيائيون عن حالة نادرة: نشوء كوارك قمي واحد فقط دون جسيمه المضاد. عادةً، تظهر الكواركات القمية في أزواج — كوارك وكوارك مضاد معًا، مثل وجهي عملة واحدة.

سحب الهيدروجين المتوهج في المجرات الأخرى تشبه الإسفنجة: الغاز نفسه يشغل جزءًا صغيرًا فقط من الحجم، والباقي فراغ تقريبًا. لفترة طويلة، لم يتمكن علماء الفلك إلا من التخمين حول مدى "ثقوب" هذه السدم. الآن، اقترحت مجموعة من العلماء طريقة لقياس ذلك. أخذوا صورًا لمجرتين حلزونيتين قريبتين، NGC 2403 وNGC 628، وباستخدام الرؤية الحاسوبية، حددوا بعناية مئات المناطق المتوهجة.

تيتان، أكبر أقمار زحل، محاط بضباب برتقالي كثيف. يتكون من الهيدروكربونات وجزيئات عضوية أخرى تولد عندما يقوم ضوء الشمس بتفكيك الميثان والنيتروجين في الطبقات العليا من الغلاف الجوي. يسمي الكيميائيون هذه العملية فوتوكيمياء — الضوء يعمل مثل طباخ غير مرئي يجمع من المكونات البسيطة أطباقًا متزايدة التعقيد.

عندما يصطدم بروتون سريع بنواة ذرة، تولد للحظات جسيمات جديدة. أحدها هو ميزون فاي: كتلة قصيرة العمر من المادة تتحلل إلى زوج إلكترون-بوزيترون. التقاط هذا التحلل يشبه سماع صدى انفجار بعيد: الانفجار نفسه قد انتهى، لكن أثره ما زال يطير.

في معجل حلقي، تتسارع الإلكترونات حتى تقترب من سرعة الضوء وتصطدم بالبوزيترونات — وهي الجسيمات المضادة لها. عند نقطة التلاقي، تنشأ لحظياً كتلة من الطاقة النقية، تتولد منها جسيمات جديدة. كاشف BESIII، مثل كاميرا فائقة السرعة، يلتقط آثار هؤلاء الضيوف قصيري العمر. ومن بينها زوج سيغما ناقص ومضاد سيغما زائد.

تصادم إلكترون وبوزيترون في مصادم BESIII ينتج جسيمًا قصير العمر — باريونًا ساحرًا Λc+. داخله، كما في صندوق مكتظ، يولد بسرعة جسيم آخر — هيبرون Λ. لهذا الهيبرون دوران ذاتي، أو سبين، وتمكن الفيزيائيون لأول مرة من قياس مدى اتجاه هذا الدوران على طول حركة الجسيم.

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.