كوارك ساحر

في الفيزياء النووية، ظلّ لغزٌ يحير العلماء طويلاً: لماذا من بين العناصر الأخف من البزموت، لا يملك سوى التكنيشيوم (رقم 43) والبروميثيوم (رقم 61) أي نظير مستقر — وهو نوع من الذرة يحتوي على نفس عدد البروتونات ولكن عدد مختلف من النيوترونات؟ جميع جيرانهما في الجدول الدوري يمكن أن يفتخروا بنوع واحد على الأقل طويل العمر، بينما يبدو هذان العنصران وكأنهما يخرجان عن القاعدة العامة.

الزمكان ليس فارغًا؛ إنه يرتجف. بعد الانفجار العظيم، ملأ الكونَ طنينٌ من الموجات الثقالية، يشبه الطنين العميق لجرسٍ هائل. وفي هذه التموجات، كما تبيّن مؤخرًا، قد تولد جسيمات المادة المظلمة — تلك المادة غير المرئية التي تربط المجرات ببعضها. لكن الفكرة السابقة كانت تعترضها عقبة.

قطرة من القشدة الدهنية في كوب حليب. إذا قمت برجّه، لن يتوزع الدهن بالتساوي — بل سيتجمع في كتل أكثر كثافة تتحرك بشكل مختلف عن باقي السائل. هذا تقريبًا ما تفعله الكواركات داخل الميزونات — وهي جسيمات صغيرة تعيش لأجزاء من الثانية لا تُذكر. يتكون الميزون من كوارك وكوارك مضاد، ونادرًا ما يكونان متساويين في الأهمية.

ثلاث أثقال ذات أشكال غير عادية موضوعة على طاولة. وزنها الدقيق غير معروف، لكن بمجرد وضعها على ميزان كفتين في تركيبة معينة، يشير المؤشر دائمًا إلى نفس الرقم السحري. هكذا تقريبًا تبدو اللغز الذي يسميه الفيزيائيون علاقة كويد للبتونات المشحونة الثلاثة: الإلكترون والميون وجسيم التاو. إذا أخذنا مجموع كتلها وقسمناها على مربع مجموع جذورها، نحصل على 2/3 بالضبط — بدقة تصل إلى خمسة أرقام عشرية.

تتكون المادة العادية من ذرات، والذرات من نوى وإلكترونات. لكن في النجم النيوتروني، تضغط الجاذبية المادة بشدة لدرجة أن الإلكترونات تنضغط داخل البروتونات، ويتحول كل شيء تقريبًا إلى ترتيب كثيف من النيوترونات. هذا يشبه نواة ذرية واحدة ضخمة بحجم مدينة. وماذا لو ضغطنا أكثر؟ عندها ستبدأ النيوترونات في التفكك إلى مكوناتها — الكواركات.

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.

الجسيمات الثقيلة التي يسميها الفيزيائيون باريونات (baryons) تشبه عائلات صغيرة من ثلاثة كواركات. الباريونات العادية هي البروتونات والنيوترونات التي يتكون منها كل ما حولنا. ولكن هناك أيضًا أقارب غريبة: فيها بدلاً من الكواركات الخفيفة تعيش كواركات ساحرة أو قمية — ثقيلة وقصيرة العمر. تولد هذه الجسيمات فقط في تصادمات المسرعات وتعيش أجزاء ضئيلة من الثانية.

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.

الماء في الغلاية يغلي عند مئة درجة، لكن إذا ضغطته بشدة فسيتصرف بشكل مختلف. تقريبًا بنفس الطريقة، الكواركات والغلوونات — اللبنات التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات — تغير خصائصها في مجال مغناطيسي قوي. تنشأ مثل هذه المجالات عند تصادم الأنوية الثقيلة في المسرعات، ويمكن أن تخبرنا عن كيفية تكوين المادة في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

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.

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.

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.

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.

تمت زراعة بلورة بحجم نصف علبة كبريت في فرن، حيث زحفت منطقة منصهرة ببطء على طول قضيب، تاركة وراءها طبقات مرتبة تمامًا. داخل هذه البلورة، تجلس أيونات النحاس في عقد شبكة مثلثية - لكن المثلثات منحرفة قليلاً، كما لو أن شخصًا ما ضغط على زاوية واحدة. يتصرف كل أيون نحاس مثل إبرة مغناطيسية صغيرة يمكن أن تشير إلى الأعلى أو الأسفل.

في مسرع جسيمات ضخم، حيث تصطدم البروتونات بسرعة قريبة من سرعة الضوء بهدف من النيون، تولد الباريونات المفتونة — جسيمات تعيش أقل من جزء من مليار من الثانية. تمكن علماء تعاون LHCb لأول مرة من قياس كيفية «دوران» هذه الجسيمات — بتعبير أدق، اتجاه سبينها — واكتشفوا فرقًا غير متوقع بين الجسيمات ونظيراتها المرآتية.

على مصادم الهادرونات الكبير، بتسريع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء، تُنتج الكواركات القمية — أثقل لبنات النموذج المعياري. تعيش لجزء ضئيل من الثانية، لكنها تتمكن من إظهار ترابطات كمومية معقدة. هذه الترابطات تشبه مستويات التناغم في فرقة موسيقية.

في مركز تصادم نواتي رصاص، تولد للحظة كرة نارية صغيرة — مادة شديدة السخونة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات تذوب، وتسبح الكواركات والغلوونات بحرية في هذا "الحساء". يسمى هذا الحساء ببلازما كوارك-غلوون (quark-gluon plasma). لقد كانت موجودة في أول ميكروثانية بعد الانفجار العظيم، والآن يعاد إنتاجها في المسرعات.

في عام 2018، جرى في مصادم الهادرونات الكبير جمع بيانات خاص: كاشف CMS كان يلتقط اصطدامات البروتونات بسرعة هائلة، بهدف جمع عشرة مليارات جسيم يحتوي على كوارك قمي. هذه الجسيمات، ب-ميزونات، تعيش لأجزاء صغيرة جدًا من الثانية وتتحلل إلى جسيمات أخف، مثل قطار محمّل بشكل زائد يرمي عرباته أثناء السير.

الكوارك القمي (كوارك علوي) هو الأكثر كتلة بين الجسيمات الأساسية المعروفة، لبنات المادة. ومع ذلك، تتنبأ النماذج النظرية بوجود توأم خفي له — كوارك T (كوارك)، قد يكون أثقل بعدة مرات. لإجباره على الظهور، يستخدم الفيزيائيون أداة غير عادية: اصطدامات البروتونات بالميونات — وهي جسيمات غير مستقرة وأثقل من الإلكترون.

يُطلق قمّتان دوّارتان في وقت واحد وفي اتجاهين متعاكسين. إذا دارت إحداهما يسارًا، تدور الأخرى يمينًا دائمًا — مهما ابتعدت إحداهما عن الأخرى. هكذا تقريبًا يعمل التشابك الكمومي، لكن بدل القمم لدينا كواركات القمة، أثقل الجسيمات المعروفة.