كاشف سي إم إس

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.

بدلاً من الحمام الجليدي، قميص غازي دافئ. هكذا أصبحوا الآن يبردون مقارن التيار المبرد في المعهد الوطني للقياس في اليابان. سابقًا، كان هذا الجهاز، الذي يقارن التيارات الكهربائية بدقة تصل إلى أجزاء من المليار، يتطلب الغمر في الهيليوم السائل. أما اليوم فهو يعمل داخل مبرد مغلق حيث لا يبرده سائل بل غاز. مقارن التيار المبرد هو ميزان للكهرباء.

في جنوب الهند، في مدينة مادوراي، من عام 2018 إلى عام 2022، كان هناك "صياد" غير عادي للجسيمات الكونية - نموذج أولي يسمى mini-ICAL بكتلة 85 طنًا. هذه نسخة مصغرة 600 مرة من كاشف النيوترينوات المستقبلي (الجسيمات الشبحية التي يصعب إمساكها)، والذي سيتم بناؤه في أعماق الأرض.

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.

علم الكونيات يشبه أوركسترا بدأت مجموعاتها المختلفة فجأة تعزف بشكل غير منسجم. قياسات معدل توسع الكون (ثابت هابل) في الكون المبكر والمتأخر تعطي أرقامًا مختلفة. كما تشير ملاحظات أخرى إلى كتلة "سالبة" للنيوترينوات النجوم النيوترونية — وهو أمر مستحيل فيزيائيًا.

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.

بندولان معلقان على عارضة واحدة. دفعة واحدة فيبدأان بالتأرجح، يتقاربان تدريجياً في الإيقاع ثم يتباعدان. في الكيوبت الطوبولوجي، تلعب جسيمات ماجورانا دور هذه البندولات — وهي إثارات خاصة قادرة على تخزين المعلومات الكمومية.

محاولة عدّ الناس في غرفة مظلمة من خلال صوت تنفسهم تصطدم بالضجيج العام — لا تُسمع الأنفاس الفردية. مهمة مماثلة تواجه العلماء الذين يعملون مع اللفات الكمومية في المواد الصلبة. كل لفة (العزم المغناطيسي للإلكترون) لها «صوتها» الخاص، لكن الضجيج التقني للأجهزة يطغى عليها.

الكون في عمر 700 مليون سنة هو موقع بناء صاخب، حيث تبدأ الأضواء الأولى في الاشتعال. التقطت التلسكوبات إشارة من تلك الحقبة البعيدة: المجرة REBELS-25، الضخمة والمليئة بوقود النجوم. كشفت الملاحظات الراديوية بتلسكوبي VLA وALMA عن توهج خافت لكن مؤكد لجزيئات أول أكسيد الكربون (CO). هذا هو المؤشر الأكثر موثوقية للهيدروجين الجزيئي البارد — المادة التي تولد منها النجوم.

عندما يموت نجم هائل، ينكمش قلبه، ويحدث انفجار مستعر أعظم. ويولد هذا الحدث الكارثي تيارات من الجسيمات، مثل تموجات من حجر ألقي في الماء. تصل النيوترينوات السريعة أولاً، وتخترق الأرض دون أن تتفاعل معها تقريباً. ثم، بعد تأخير بضع ساعات، تظهر جسيمات شبحية بشحنة صغيرة جداً.

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.

صورة قديمة التُقطت في لحظة ولادة الكون، تحمل إلينا ضوءها منذ ما يقرب من 14 مليار سنة. هذه الصورة هي إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، صدى الانفجار العظيم المبرد. وهي تُظهر أدق التباينات التي نشأت منها المجرات لاحقًا.

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.

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.

داخل الكاشف، الذي يشبه ترمسًا كبيرًا مملوءًا بالجرمانيوم، تولد ومضات ضعيفة. النيوترينوات — جسيمات صغيرة بالكاد تتفاعل مع المادة — تصطدم أحيانًا بنوى الجرمانيوم. تهتز النواة، ويلتقط الكاشف هذا الاهتزاز. لكن للتمييز بين الإشارة الحقيقية والضوضاء، يجب معايرة الجهاز بدقة. قام العلماء في تجربة CONUS+ بتشعيع الكاشف بالنيوترونات من مصدر أمريسيوم-بيريليوم.

خرزة زجاجية صغيرة معلقة في شعاع ليزر، مثل ذرة غبار في ضوء الشمس. حولها غاز مخلخل: ذرات الكريبتون والزينون وجزيئات ثقيلة من سداسي فلوريد الكبريت. تصطدم هذه بالخرزة، وكل ضربة تنقل إليها زخماً صغيراً – مثل حبة بازلاء تُقذف على ملاءة مشدودة فتجعلها ترتجف. الزخم هو مقياس للحركة: حاصل ضرب الكتلة في السرعة.

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.

ضوء ملتوي في اتجاه واحد يسقط على بروتون. يمكن للجسيم أن يمتص الفوتون أو يبعده — وهذا يعتمد على اتجاه سبينه، ذلك القمة الدوارة الداخلية الصغيرة. في تجربة على مسرع MAMI في ماينتس، اصطدم شعاع من الفوتونات المستقطبة بأهداف من بروتونات وديوترونات مستقطبة (أنوية الهيدروجين الثقيل).

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.

في المسرعات الضخمة، تمر الجسيمات عبر الكواشف في أجزاء من مليار من الثانية، ولتمييز جسيم عن آخر نحتاج إلى ساعة توقيت فائقة الدقة. يعمل الكاشف الجديد µRWELL-PICOSEC كساعة توقيت من هذا القبيل: فهو يلتقط لحظة مرور الجسيم بدقة تصل إلى 48 بيكو ثانية، أي 48 تريليون جزء من الثانية. السر هو أن الكاشف يجمع بين ظاهرتين فيزيائيتين.

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.

عند تصادم النوى الثقيلة في المسرعات، تولد العديد من الجسيمات، ويريد الفيزيائيون فهم كيفية تحرك الشحنة الكهربائية في هذه الفوضى. قطاران يصطدمان ببعضهما: الركاب (الكواركات) يتناثرون، لكن أمتعتهم (الشحنة) قد تكون بعيدة عن موقع الحادث. لقياس مدى انتقال الشحنة، يقترح المؤلفون مقارنة تصادمات نوى الروثينيوم (Ru) والزركونيوم (Zr).

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 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.

الكاميرا التي تبحث عن الأورام تعمل مثل كاميرا فوتوغرافية حساسة للغاية: فهي تلتقط توهجًا خافتًا من مادة تتراكم في الخلايا المريضة. في الأجهزة التقليدية، يولد الضوء داخل بلورة — قطعة صلبة تشبه الزجاج. لكن البلورة لا تنقل دائمًا بدقة مكان انبعاث الضوء، فتصبح الصورة ضبابية قليلًا. الفكرة الجديدة هي استبدال البلورة بالزينون السائل. وهو سائل شفاف يتوهج ذاتيًا عند اصطدام جسيم ضوئي به.

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.