تعاون CMS

حزمة نقيضات البروتون تصطدم بالصفيحة، وكل اصطدام يتناثر كوابل من الجسيمات المشحونة. في تجربة GBAR في سيرن، تُرصد هذه الظاهرة ليس بكاشف معقّد، بل بكاميرا صناعية عادية بدون عدسة، ملاصقة لنافذة التفريغ من الخارج. رقاقة معدنية معتمة تحجب المستشعر عن العالم الخارجي، لكن الجسيمات تخترقها كالسكين في الزبدة وتترك آثارًا قصيرة ومضيئة في السيليكون.

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.

رصد التلسكوب الراديوي FAST بطبق قطره خمسمائة متر إشارة عند طول موجة 21 سنتيمترًا — وهو خط طيفي لانبعاث الهيدروجين الذري البارد والمتعادل. صدرت الإشارة من سحابة أُطلق عليها اسم Cloud-9. تقع هذه السحابة بالقرب من المجرة M94، لكنها لا تحتوي على أي نجم.

في اصطدامات البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير، لا يُنتَج أحيانًا بوزون هيغز واحد، بل اثنان في وقت واحد. تواتر مثل هذه الأحداث هو بصمة مباشرة لكيفية تفاعل حقل هيغز مع نفسه: معامل التفاعل الذاتي κλ يحدد احتمال الظهور المتزامن لزوج من بوزونات هيغز.

يشبه بوزون هيغز شوكة رنانة تصدر نغمة محددة بدقة. لكن الفيزيائيين تعلموا سماعه حتى عندما تنحرف النغمة — في المنطقة التي تسمى «خارج الرنين». وهناك بالضبط، في بيانات كاشف CMS، كانت الإجابات عن أسئلة حول ما يتكون منه آلية هيغز مختبئة.

في الحلقة التي يبلغ طولها 21 كيلومترًا في بروتفينو قرب موسكو، كان يُخطط يومًا لتسريع البروتونات. اليوم، يمكن لهذا النفق نفسه أن يستضيف آلة مختلفة تمامًا — مصادم ميوني. الميون هو قريب ثقيل للإلكترون، وهنا تكمن قوته. الإلكترون عند منعطف الحلقة يُصدر إشعاعًا كالكشاف الضوئي، فاقدًا طاقته الثمينة. أما الميون فيُصدر إشعاعًا أضعف بمليار مرة.

17 دقيقة — بهذا التردد ينبض قلب نجم السلوقيان AM، ضارباً الإيقاع لكامل فئة الثنائيات فائقة الانضغاط. في هذه الأنظمة، يدور قزمان أبيضان في رقصة أخيرة، ضاغطين المدار تحت همس الموجات الثقالية الذي لا يُسمع بعد. كل زوج هو ميترونوم كوني، يقرع إيقاعاً فريداً. لكن الفلكيين حتى الآن لم يميزوا سوى وهج باهت، بلا طابع زمني.

في أواخر التسعينيات، فاجأتنا السماء المرصعة بالنجوم: اكتشف شاول بيرلموتر وآدم ريس أن توسع الكون يتسارع. منذ ذلك الحين، ظل اللغز الأكبر هو الطاقة المظلمة — المادة التي تشكل قرابة 70% من الكون، لكنها تفلت من الدراسة المخبرية.

في كل ثانية، تمر عبر جسم الإنسان حوالي مئة جسيم غير مرئي تُعرف بالميونات. تولد هذه الجسيمات عاليًا في السماء عندما تصطدم الأشعة الكونية بذرات الهواء، ثم تهطل كالمطر على الأرض. هذه الجسيمات شديدة الاختراق لدرجة أنها تستطيع عبور مبنى متعدد الطوابق، لكنها تنحرف قليلًا عند مواجهة مادة كثيفة، مثل الرصاص أو اليورانيوم.

الجليد، الماء، البخار — تحولات طورية مألوفة للجميع. لكن ماذا يحدث إذا ضغطت وسخنت نواة الذرة نفسها؟ يعتقد المنظرون أن البروتونات والنيوترونات فيها «تذوب»، محررة لبنات أصغر — كواركات وغلوونات. الناتج خليط ساخن يُسمى بلازما كوارك-غلوون. كانت تملأ الكون في أول ميكروثانية بعد الانفجار العظيم.

في أعماق كاشف مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات، وفي لحظة وجيزة يولد شيء ثقيل. يتحلل فورًا إلى بوزوني هيغز — جسيمين، مثل الدمى الروسية، يخفي كل منهما زوجين من كواركات b. تتناثر أربعة تيارات من الجسيمات في اتجاهات مختلفة، والمهمة هي تمييز أثر حدث واحد وسط مليارات الأحداث المشابهة.

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.

تخيل الكون المبكر كبالون هوائي عملاق نُفخ إلى أحجام هائلة بشكل شبه فوري. التموجات الصغيرة على سطحه هي تموجات كمومية متجمدة، أصبحت عناقيد المجرات. هذا التمدد يُسمى التضخم، وقد خلّف وراءه وهجًا قديمًا — خريطة للسماء يدرسها علماء الفلك. في هذه الأنماط قد تختبئ آثار نيوترينوات توأمية فائقة الثقل.

شعاعان مبهران من الضوء يتصادمان وجهًا لوجه. في نقطة التقائهما، تولد للحظة جسيم — هو ذاته المسؤول عن كتلة كل شيء في الوجود. إنه بوزون هيغز. عادةً ما يتم إنتاجه عن طريق تسريع البروتونات أو الإلكترونات، ولكن هنا تعمل جسيمات الضوء نفسها — الفوتونات — كقذائف.

في شرنقة غازية كثيفة حول نجم شاب ضخم، وكأنها في قارورة كيميائية عملاقة، تتصادم تدفقات من المادة. يتحرك أحدها بالنسبة لنا بسرعة حوالي 11 كيلومترًا في الثانية، والآخر حوالي 5. التقط تلسكوب أونسالا (في السويد) أصواتها الراديوية وحللها إلى مئات الخطوط الطيفية — بصمات الجزيئات. اتضح أنه في التدفق السريع، حيث يتركز معظم المواد العضوية، يحدث التأين بنشاط غير عادي.

ساعتان تعرضان وقتين مختلفين. إحداهما على طاولتنا، والأخرى بعيدة في الماضي، في التوهج الذي خلفه الانفجار العظيم. الأولى، بالنظر إلى المجرات القريبة، تحسب معدل توسع الكون — حوالي 73 كيلومترًا في الثانية لكل ميجابارسك من المسافة. الثانية، بالتأمل في الضوء القديم، تعطي رقمًا أقل بشكل ملحوظ — حوالي 67.

في مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات مليارات المرات في الثانية، ومرة واحدة فقط من كل تريليون تصادم يولد زوج من بوزونات هيغز (الجسيمات المسؤولة عن كتلة كل شيء). في تجربة CMS، كان الفيزيائيون يتعقبون مثل هذه الأحداث تحديدًا.

في قلب درب التبانة، هناك شيء يتوهج باستمرار بأشعة غاما. هذا الضوء مميز — طاقته تساوي بالضبط 511 ألف إلكترون فولت. تظهر هذه الطاقة عندما يلتقي إلكترون بجسيمه المضاد، البوزيترون، فيفنيان بعضهما معًا مخلفين وميضًا من الضوء.

بوزون هيغز يشبه قائد الأوركسترا الذي يمنح الكتلة لجميع الجسيمات الأخرى. بدونه، كانت الإلكترونات ستكون عديمة الكتلة، وكانت الذرات ستنهار. ولكن كيف يتفاعل قائد الأوركسترا مع نفسه؟ هذا هو السؤال الرئيسي الذي يجب أن يجيب عليه مصادم الميونات المستقبلي. تتناول المقالة منشأة MUSIC المصممة لتصادم الميونات عند طاقة 10 تيرا إلكترون فولت.

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.

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.

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 مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات، ومن الوميض تولد عشرات الجسيمات. من بينها قد تكون آثار عمليات نادرة — مثل اضمحلال بوزون هيغز إلى بوزونين W. لكن هذه الجسيمات تتطاير بسرعة كبيرة لدرجة أن آثارها تندمج في نفاثة واحدة عريضة.

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.

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.

اصطدام نواتي رصاص في مصادم الهادرونات الكبير يشبه رمي كيسين ثقيلين مملوءين بالكرات على بعضهما البعض. عادةً، تتناثر الكرات في كل اتجاه، لكن في بعض الأحيان يمر أحد الكيسين قريبًا جدًا بحيث لا تتصادم الكرات، بل تتبادل النظرات فقط.

البروتونات المسرّعة إلى طاقة هائلة تصطدم بلوحة معدنية سميكة — مثل الرصاص في درع. داخل المعدن، تولد للحظة جسيم J/ψ الذي يضمحل فورًا إلى ميونين — قريبي الإلكترون الخفيفين. تخرج هذه الميونات من الهدف، وتلتقط الكواشف آثارها. قارن العلماء عدد الميونات الملتقطة بتوقعات النموذج الحاسوبي. توقع النموذج عددًا أكبر من الميونات ذات العزم العرضي الكبير — أي تلك التي تطير بزاوية معينة بالنسبة للحزمة.

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.

عالما فلك ينظران إلى نفس الكون، لكن كل منهما يراه بشكل مختلف. الأول يقيس سرعة التوسع باستخدام الضوء القديم الذي سافر إلينا لما يقرب من 14 مليار سنة. والثاني يقيسها باستخدام انفجارات النجوم الحديثة في المجرات المجاورة. الأول يحصل على 67 كيلومترًا في الثانية لكل ميجابارسك من المسافة، والثاني على 73. الفرق يبدو صغيرًا، لكنه أكبر بخمس مرات مما يمكن تفسيره بالصدفة.

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.

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 مسرّع الجسيمات، تتحطم النوى إلى شظايا، مثلما ينكسر فنجان خزفي عند سقوطه. تمر كل شظية عبر ألواح السيليكون، التي تسجّل الاصطدام وقوته. ولكن للتمييز بين الإشارة الحقيقية والضوضاء العشوائية، يجب ضبط عتبة: أي قراءة أقل منها تُعتبر تداخلًا. تستخدم تجربة FOOT ستة ألواح سيليكون بسماكة 150 ميكرومترًا، مكدسة في ثلاث طبقات.

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.

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.

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.