فيرميلاب

ضبط مستقبل راديو على محطة يتغير ترددها عند عبور حد طوري، هكذا يمكن تصور المهمة التي واجهت الباحثين. في معدن YbRh2Si2 تتصرف الإلكترونات كجسيمات «ثقيلة»: كتلتها الفعالة أكبر بمئات المرات من كتلة الإلكترون الحر.

بلورة الهيميميليت، التي تشبه كعكة طبقية من النحاس والبورون، تمثل سُلَّمًا مغزليًا: ذرات النحاس مرتبة في سلسلتين متوازيتين متصلتين بـ«عوارض». عند درجات حرارة منخفضة جدًا، لا تتجمد هذه المغازل في ترتيب مغناطيسي عادي، بل تشكل حالة كمومية خاصة — سائلًا مغزليًا كموميًا، حيث تتقلب اتجاهات المغازل لكنها تبقى مترابطة، مثل حشد من الناس لا يستطيعون تحديد اتجاههم فيتمايلون في مكانهم، مرتبطين بخيوط غير…

مغناطيس يزن بضع حبات رمل يطفو في الهواء دون أي سند. لا يلمس الجدران، ولا يحتك بالمحامل، بل يعلق في مصيدة مغناطيسية مثل ذرة غبار في شعاع الشمس. جعل الباحثون هذه الذرة تعمل كبوصلة فائقة الحساسية: يلتقط الجهاز تغيرات في المجال المغناطيسي تبلغ 23 فيمتو تسلا.

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.

في ظلام دامس داخل حجرة مفرغة، يطفو مغناطيس صغير. لا يلامس الجدران ولا يفقد طاقة تقريبًا — حارس مثالي جاهز لالتقاط أضعف دفعة. هذا هو الحارس الذي نحتاجه لاصطياد الأكسيونات. هذه الجسيمات هي المشتبه بهم الرئيسيون في قضية الكتلة الخفية للكون، والتي نسميها المادة المظلمة. في السابق، كانت مثل هذه الكواشف تشبه أذنًا حساسة تسمع نغمة واحدة فقط.

قبل حوالي عقد ونصف من الزمان، سجل مقراب فيرمي لأشعة غاما «فقاعات» غامضة – تجمعات بلازمية عملاقة، كما لو نُفخت بمنافيخ خفية، ترتفع لعشرات آلاف السنين الضوئية من مركز المجرة. أثارت طبيعتها جدلاً محتدماً فوراً: رأى فيها البعض أثراً لنفاثات الثقب الأسود الهائل الرامي A*، ورأى آخرون صداها لعصر عنيف من تشكل النجوم.

القمة تدور، لكن محورها يبقى غير مرئي. هكذا تقريبًا يتصرف الميون — قريب ثقيل للإلكترون. يغيّر لفه المغزلي (الدوران الداخلي) اتجاهه، ولا يمكن الحكم عليه إلا من خلال طريقة اضمحلال الميون. في تجربة جديدة، تتبع العلماء لفات حوالي 10 مليارات ميون باستخدام بيانات من جهاز Muon g-2 في فيرميلاب. اختبروا متباينة ليجيت-جارغ — وهي قاعدة تعمل مع الأجسام العادية، لكنها تنتهك في العالم الكمومي.

في حلقة هائلة من المغناطيسات تحت شيكاغو، دارت الميونات مثل متزلجين على الجليد. لكن بدلًا من الموسيقى، كان هناك مجال مغناطيسي، وبدلًا من الدوران، كان هناك تمايل خفيف في اللف المغزلي. يسمي الفيزيائيون هذا التمايل «العزم المغناطيسي الشاذ». ببساطة، الميون — وهو قريب ثقيل للإلكترون — «يرتجف» قليلًا في المجال المغناطيسي.

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.

الإلكترون وقريبه الأثقل، الميون، يتصرفان كمغناطيسات صغيرة. عزومهما المغناطيسية بوحدات خاصة تتجاوز قليلاً الرقم 2، وهذا «الجزء الزائد» يسمى العزم المغناطيسي الشاذ. ينشأ من الغليان المستمر للفراغ الكمومي: أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة تظهر وتختفي للحظات، مما يخلق تموجات تساهم في المغناطيسية.

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.

في غرفة مظلمة، تتدلى خرزة زجاجية بحجم ذرة غبار على شعاع ليزر. تحتها مرآتان: واحدة من الألومنيوم وأخرى من الفضة. إذا مرت أكسيونات قريبة — جسيمات خفيفة غير مرئية قد تكون المكون الغامض لـ المادة المظلمة — فإنها تتبادلها مع ذرات المرايا، فتنزاح الخرزة قليلًا. هذا الإزاحة، التي هي أنعم بألف مرة من شعرة الإنسان، هي الدليل الرئيسي.

سحابة هائلة من الغاز والغبار، باردة جدًا لدرجة أن حرارتها تكاد تكون منعدمة، أعلى بقليل فقط من الصفر المطلق. هذه هي TMC-1 في كوكبة الثور، واحدة من أحلك وأكثر مهدات الجزيئات كثافة في مجرتنا. في السنوات الأخيرة، أصبحت كنزًا حقيقيًا لعلماء الكيمياء الفلكية: فقد زاد عدد المواد المكتشفة فيها بأكثر من الضعف. ويعود الفضل في ذلك إلى مشروعين استمعا إلى السحابة بطرق مختلفة.

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.

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.

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 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 أعماق الأرض، داخل منجم ذهب سابق في أستراليا، يقع مختبر لا يكسر سكونه إلا ومضات ضوئية نادرة. هذه الومضات هي آثار جسيمات كونية تخترق مئات الأمتار من الصخور. ثماني ألواح بلاستيكية، تشبه صفائح مضيئة كبيرة، تلتقط هذه الجسيمات. كل لوح هو عبارة عن ومياض ضوئي، يومض عندما يمر عبره ميون — وهو قريب ثقيل للإلكترون.

حاصر الفيزيائيون سحابة من ذرات الليثيوم في مرنان بصري — بين مرآتين. يندفع الضوء داخله كما لو كان في غرفة صدى، منعكسًا مرارًا وتكرارًا، مما يجعل الذرات تصدر إشعاعًا متزامنًا. ينشأ الانبعاث الفائق — وهو انبعاث جماعي للفوتونات، يشبه الجوقة حيث تندمج الأصوات الفردية في صوت مدوٍ واحد. مثل ملعب يهتف في انسجام: همس كل فرد يتحول إلى إيقاع يصم الآذان. السر يكمن في الكثافة.

في تصادمات النوى الثقيلة، تتولد كرة نار من آلاف الجسيمات. ومن بينها البيونات والكاونات، وهما نوعان من الجسيمات الخفيفة المتشابهة جدًا. لفهم ما يحدث في هذه الكرة النارية، يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة دقيقة بعدد الجسيمات المنطلقة من كل نوع.

مضاد بروتون واحد محبوس في مصيدة ومبرد إلى ما يقارب الصفر المطلق يتصرف مثل شوكة رنانة يجب أن تُضرب بدقة شديدة لتسمع صوتًا نقيًا. التقاط هذا "الصوت" مباشرة شبه مستحيل — الإشارة ضعيفة جدًا. فيزيائيو تعاون BASE ابتكروا حيلة ذكية: بجانب مضاد البروتون في نفس المصيدة يوجد أيون بيريليوم أيون يعمل كميكروفون حساس.

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.

داخل مصادم الهادرونات الكبير، تتسارع البروتونات حتى تقترب من سرعة الضوء وتتصادم وجهاً لوجه. عند نقطة التصادم، تتولد لحظياً كتلة من الطاقة يمكن أن تنبثق منها جسيمات جديدة. أحد أثقل هذه الجسيمات هو كوارك القمة. إنه أثقل من البروتون بمقدار 180 مرة، ويعيش لفترة أقصر من الزمن الذي يحتاجه الضوء لعبور نواة الذرة.

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.

في القاعة تحت الأرض في فيرميلاب، يوجد خزان ضخم مملوء بالأرجون السائل، وهو سائل شفاف عند درجة حرارة سالب 186 درجة. عندما يدخل جسيم نيوترينو غير مرئي إلى هذا الخزان، فإنه أحيانًا يصطدم بنواة الأرجون، فيظهر أثر قصير من الجسيمات المشحونة. يلتقط كاشف MicroBooNE هذه الومضات منذ عدة سنوات وقد جمع مئات الآلاف من التسجيلات.

الميون (muon) هو الأخ الأثقل للإلكترون، يعيش فقط جزءًا من مليوني جزء من الثانية. في مجال مغناطيسي، يدور مثل القمة، لكنه أسرع قليلاً مما تتنبأ به المعادلات.

المادة المظلمة هي مادة غامضة تزيد كتلتها خمس مرات عن المادة العادية، لكنها لا تصدر ولا تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي. ولا يزال طبيعتها أحد أكبر الألغاز غير المحلولة في الفيزياء. ومن بين المرشحين لجسيمات المادة المظلمة نجد الأكسيونات، وهي جسيمات فائقة الخفة قادرة على اختراق كوكب بأكمله دون أن تتفاعل تقريبًا مع الذرات.

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.

تخيل غشاءً مشدودًا مثل جلد الطبل. يلتقط إشارتين في آنٍ واحد: الموجات الثقالية — ارتجاف الفضاء نفسه — وجسيمات المادة المظلمة المراوغة. يوضع الغشاء بين مرايا، ويضغط عليه الضوء مثل إصبع على وتر، محافظًا عليه في شدّ دائم. عندما تصل موجة ثقالية، تتغير المسافة بين المرايا بشكل طفيف جدًا، ويبدأ الغشاء بالاهتزاز.

إلكترونان في أنبوب ضيق لا يريدان أن يكونا متجاورين. كلاهما يحمل شحنة سالبة، فيتنافران مثل مغناطيسين متقابلين بنفس القطبين. إذا كان الأنبوب رفيعًا جدًا، فلا يمكنهما الابتعاد جانبًا — فلا يبقى إلا أن يصطفا واحدًا خلف الآخر. يسمي الفيزيائيون هذا التوطين الفيجنري (Wigner localization): إذ تحتل الجسيمات مواقع ثابتة، وكأنها حبات عقد على خيط مشدود.

الميون هو جسيم أولي يشبه قمة دوارة صغيرة تدور في بحر هائج من الفراغ. محوره المغناطيسي — وهو متجه يصف قوة واتجاه المجال المغناطيسي — يشير قليلاً بعيدًا عما يتوقعه النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. الانحراف لا يتجاوز بضعة أجزاء من المليون، لكنه بالنسبة للفيزيائيين لغز كامل، يشير إلى احتمال وجود قصور في النظرية.