غيغا إلكترون فولت

على خط الإنتاج في مصنع، تُخرج القطع واحدة تلو الأخرى بدقة في كل دورة. إذا كانت الدورة قصيرة وكان معدل العيوب منخفضًا، يعمل الخط بسرعة. في البصريات الكمومية، يلعب مصدر الفوتونات المفردة دور هذا الخط: يجب أن يُصدر كمًا واحدًا من الضوء بالضبط في كل دورة، وكلما زادت الدورات، زاد عدد الفوتونات التي تخرج إلى الألياف البصرية.

في أعماق الشمس، تجري تفاعلات اندماج نووي قد تولد جسيمات افتراضية خفيفة تُعرف بالأكسيونات، وهي بالكاد تتفاعل مع المادة. أحد هذه العمليات، إن وُجد، يؤدي إلى ظهور أكسيونات بطاقة 5.49 ميغا إلكترون فولت، وهي طاقة تضاهي طاقة كرة تنس تطير بسرعة 100 كم/ساعة. هذه الجسيمات تخترق الأرض دون عائق، لكنها قد تصطدم أحيانًا بذرة زينون.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة (في الغالب بروتونات وأنوية ذرية) تتحرك في الفضاء بين النجمي بسرعات تقارب سرعة الضوء. يمكن أن تتجاوز طاقتها طاقة الجسيمات التي تصل إليها أقوى المسرعات الأرضية بملايين المرات.

تمر الحزمة البروتونية الموجهة نحو الورم عبر الأنسجة الرخوة كالسكين في الزبدة، لكن مداها يعتمد على خصائص دقيقة للماء الذي يتكون منه جسمنا في الغالب. الماء هو المكوّن الرئيسي للجسم، ومقدار التباطؤ الذي تتعرض له البروتونات فيه يحدد أين ستفقد طاقتها بالضبط.

يشبه الكون أحيانًا قماشًا قديمًا: بعد التبريد السريع، ربما بقيت فيه تجاعيد — خيوط رفيعة شبه خفية بكثافة هائلة. تُسمى هذه الأوتار الكونية. عادةً، يختبئ في مركز مثل هذا الوتر تفرّد — نقطة يكون فيها انحناء الزمكان لانهائيًا، وتفقد قوانين الفيزياء معناها. لكن مؤلفي الدراسة اختاروا نسخة أخرى: وترًا بلا رأس حاد، بمقطع أملس. إنه يشبه أثر قلم حبر جاف — الضغط أقوى في المنتصف وأضعف عند الأطراف.

السر وراء الانكسار الرئيسي في طيف الأشعة الكونية المجرية — الركبة عند 3 بيتا إلكترون فولت — ظل مخبأً قرابة قرن.

في الأوركسترا، يعزف كل موسيقي دوره الخاص، لكن في لحظة معينة تتجمد جميع الآلات على نغمة واحدة. هذا تقريبًا ما تفعله الأشعة الكونية — الجسيمات التي تصل إلينا من نجوم بعيدة.

الكشاف يضيء أكثر فأكثر، لكن عند حد معين تحترق المصباح فجأة ولا يعود الضوء يتدفق. شيئًا مشابهًا رصده علماء الفيزياء الفلكية في النواة المجرية النشطة البعيدة ماركاريان 421. هذه مجرة نشطة ينطلق نفاثها البلازمي الساخن (jet) نحو الأرض تقريبًا تمامًا، مثل شعاع منارة كونية.

الهيدروجين هو العنصر الأكثر انتشاراً. فذراته تشبه الهوائيات: تشع وتمتص الضوء عند ترددات محددة بدقة. تنبأ أينشتاين بأن الزمكان يمكن أن يتموج - هذه هي الموجات الثقالية.

كاشف مملوء بالهيليوم-4 فائق الميوعة يشبه بحيرة هادئة تمامًا. السائل لا يتموج، لا يفققع — إنه متجمد في حالة كمومية واحدة. عبره يطير ضيف غير مرئي — جسيم من المادة المظلمة. هو نفسه لا يضيء ولا يترك أثرًا. لكنه أحيانًا يصطدم بنواة ذرة الهيليوم. تتلقى النواة دفعة ضعيفة وتتحرك. الإلكترون الذي يدور حولها لا يلحق بالحركة المفاجئة — فينخلع من المدار.

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.

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.

انفجار أشعة غاما GRB 221009A توهج بسطوع هائل لدرجة أنه وُصف بأنه «الأكثر سطوعًا على الإطلاق». رصد مرصد LHAASO منه كمات غاما بطاقة تصل إلى 13 تيرا إلكترون فولت — أي أكبر بآلاف المرات من طاقة الجسيمات في أجهزة الأشعة السينية.

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 قبو مختبر بمدينة يوفاسكولا، يوجد مصيدة تمسك بذرة واحدة معلقة في الهواء، كأنها كرة على طرف إصبع مشعوذ. ذرة القصدير-113 غير مستقرة: عاجلاً أم آجلاً تلتقط أحد إلكتروناتها وتتحول إلى إنديوم-113، باعثةً جسيمًا خفيًا هو النيوترينو. كمية الطاقة المنبعثة في هذه العملية لم تكن معروفة من قبل إلا بشكل تقريبي.

الضوء في الألياف البصرية هو تدفق من الفوتونات، وللاتصالات الكمومية نحتاج فوتونات مفردة يمكن إرسالها واحدًا تلو الآخر. لكن جعلها تنطلق بسرعة وتكون في نفس الوقت غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض مهمة صعبة. في العمل الجديد، أخذ الفيزيائيون نقطة كمومية شبه موصلة - بلورة صغيرة تعمل كمصيدة للإلكترونات - ووضعوها في مرنان دقيق.

أشعة غاما ذات طاقة تتجاوز مئة تريليون إلكترون فولت — مثل حجارة تُقذف بقوة لا تصدق. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذه «الحجارة» لا يمكن أن تُطلق إلا بواسطة البروتونات — جسيمات ثقيلة معجلة في مسرعات كونية. لكن العمل الجديد يُظهر: في بعض الأحيان تكفي الإلكترونات الخفيفة.

تصادم بسرعة هائلة أدى إلى قذف نيوترون من نواة الهيليوم-8، ولفظت النواة أنفاسها الأخيرة لتكوين نواة الهيليوم-7، مثل رف مكتظ تسقط منه ثلاثة كتب دفعة واحدة. هذا «الصوت» العابر للاضمحلال تم تسجيله لأول مرة: تفرقت النيوترونات الثلاثة، تاركة وراءها نواة هيليوم-4 عادية.

انفجار غاما هو مثل طلقة من مدفع كوني: وميض قصير لكنه مبهر، يخفت لمدة ثوانٍ ضوء مجرة بأكملها. لكن عند النظر إليه في أشد نطاقات غاما طاقةً (فوتونات ذات طاقة أعلى من غيغا إلكترون فولت)، غالبًا ما يضيع الإشارة في الضوضاء، مثل همس خافت في قاعة صاخبة. ابتكر علماء الفلك حيلة: جمع 330 من هذه "الهمسات" معًا لسماع الجوقة الجماعية.

ثمانٍ وعشرون ثانية — هذا هو الوقت الذي استغرقته كاميرا آلية لتوجيه نفسها نحو ومضة في كوكبة استغرق ضوءها أكثر من تسعة مليارات سنة للوصول إلينا. عمل التلسكوب في مرصد أوندريوف التشيكي مثل جهاز إنذار الحريق: بمجرد أن رصد القمر الصناعي انفجار أشعة غاما، دوّر الروبوت الأنبوب وبدأ بتصوير السماء كل بضع ثوانٍ.

لا يمكن رؤية البروتون ككرة بسيطة. إذا ضربته بفوتون، فقد يمتص الطاقة ويدخل في حالة مثارة — مثل الجرس الذي يبدأ بالرنين بتردد معين بعد الضربة. تسمى هذه الحالات بالرنينات النووية (nucleon resonances)، وهي تعيش لفترة قصيرة جداً قبل أن تتحلل إلى جسيمات أخرى.

يتصرف الإلكترون داخل الجزيء كمغناطيس صغير، ويمكن قياس "قوته" بدقة هائلة. أخذ الفيزيائيون الأيون الجزيئي HD⁺ — وهو نواة مكونة من بروتون وديوترون (هيدروجين ثقيل)، يدور حولها إلكترون واحد فقط — ووضعوه في مجال مغناطيسي قوي شدته 4 تسلا (أقوى بحوالي 80 ألف مرة من مجال الأرض). وباستخدام التحليل الطيفي عالي الدقة، قاموا بقياس كيفية استجابة الإلكترون لهذا المجال.

المادة المظلمة غير مرئية، لكن يمكن الإمساك بها من خلال ارتدادها. الهيدروجين المدمج في غشاء كربوني يعمل مثل كرة بلياردو: عندما يصطدم به جسيم من المادة المظلمة، ينطلق البروتون إلى الخارج. هذا الانطلاق هو الإشارة المنشودة. يقترح أصحاب الفكرة تغطية الكاشف بالكربون المهدرج — وهي مادة يُتقن تصنيعها على شكل طبقات رقيقة.

النيوترون جسيم بدون شحنة، لكن له بنية داخلية. مثل كرة تبدو ناعمة من الخارج، لكن داخلها حشوة معقدة. لطالما أراد العلماء فهم كيفية توزيع القوى الكهربائية والمغناطيسية داخل النيوترون. للقيام بذلك، يجب "جسّه" — اصطدامه بجسيم مضاد ورؤية ما يحدث. في مصادم VEPP-2000 في نوفوسيبيرسك، تُصدم الإلكترونات مع البوزيترونات (جسيماتها المضادة). عند طاقة كافية، يولد زوج: نيوترون ومضاد نيوترون. يتطايران في اتجاهين متعاكسين.

في كاشف المصادم، يترك كل تصادم بروتونات أثرًا من عشرات الجسيمات، مثل رذاذ الماء المتطاير عند رمي حجر في بركة. فهم هذا الرذاذ ومعرفة ما حدث بالضبط لحظة الاصطدام مهمة لم يعد الإنسان قادرًا على إنجازها بمفرده. تأتي الشبكات العصبية للإنقاذ، وEveNet واحدة من أكثرها طموحًا: فقد دربت على 500 مليون تصادم محاكى. تنظر EveNet إلى كل حدث كسحابة من الجسيمات: لكل جسيم اتجاه وطاقة ونوع معروف.

يسقط الضوء على لوح سيليكون، فيتولد فيه إلكترون واحد وحيد. الجهاز العادي لن يلاحظ ذلك — فالإشارة هادئة جدًا. الكاشف الجديد لا يسمعها فحسب، بل يحدد طاقتها بدقة تصل إلى 589 ميلي إلكترون فولت. هذا مثل تمييز خطوات نملة على مسافة ذراع ممدودة. داخل الكاشف، يُخرج الجسيم إلكترونًا من ذرة السيليكون. يتطلب ذلك 0.92 إلكترون فولت — وهي قيمة قيست بهامش خطأ يبلغ 0.02 إلكترون فولت.

في مختبر جيفرسون، تُسرَّع الإلكترونات إلى 12 GeV وتصطدم بالبروتونات لانتزاع أسرارها. لكن الكواشف الحالية تشبه كاميرات ذات مجال رؤية ضيق: إما أن ترى الكثير ولكن بشكل باهت، أو ترى بوضوح ولكن جزءًا صغيرًا جدًا. التشتت الإلكتروني هو الأداة الرئيسية، لكن الإحصائيات غير كافية للتأثيرات الدقيقة. المطياف الجديد SoLID (Solenoidal Large Intensity Device) يغير قواعد اللعبة.

في الليل فوق التايغا السيبيرية، يظهر أحيانًا وميض ضوء أزرق خافت. ليس هذا هو الشفق القطبي، بل زخة كونية: جسيم واحد من الفضاء البعيد يصطدم بالغلاف الجوي ويتفتت إلى ملايين الجسيمات الثانوية. تتجه هذه الجسيمات إلى الأرض في جبهة عريضة، مثل موجة من حجر أُلقي في الماء، وتجعل الهواء يتوهج. رصدت منشأتا «تونكا-133» وTAIGA-HiSCORE هذه الوميضات لمدة سبع سنوات.

في المرفأ الهادئ للفقاعة المحلية — وهي تجويف مخلخل من الغاز الساخن حول الشمس — دوى انفجار مؤخرًا. اشتعل مستعر أعظم على بعد عشرات الفراسخ منا، ولا يزال صداه يتردد في الأرجاء، مغيرًا صورة الأشعة الكونية. لطالما اعتُقد أن تدفق الجسيمات من المجرة منتظم، كضوء مصابيح بعيدة متعددة.

عالياً فوق القارة القطبية الجنوبية، رفع بالون جهازًا لالتقاط الإلكترونات القادمة من الفضاء. تصل هذه الجسيمات من انفجارات نجوم بعيدة وأحداث قوية أخرى. قام الجهاز بقياس طاقتها — أي قوة اصطدامها. وفي أحد نطاقات الطاقة، وُجد أن عدد الاصطدامات أكبر مما توقعته الحسابات. أظهر التحليل الأول للبيانات حدبة عريضة على الرسم البياني: كما لو كان هناك تيار إضافي في تدفق الجسيمات. الآن، تمت معالجة نفس البيانات مرة أخرى بطرق مختلفة.

في تدفق الأشعة الكونية — الجسيمات القادمة إلينا من أعماق المجرة — يُعد التيتانيوم نادر الوجود. فنواته لا تكاد تُفرَّق عن الحديد: فكلاهما ثقيل، وكلاهما يترك آثارًا متشابهة في الكواشف. لكن في تجربة ATIC، وباستخدام مصفوفة سيليكونية، أمكن فصل التيتانيوم عن الحديد وتتبع كيفية تغير نسبتهما مع الطاقة.