فيزياء النكهات الثقيلة

تشبه النيوترينوات راقصين غير مرئيين يغيرون أقنعتهم أثناء الطيران. الأنواع الثلاثة من هذه الجسيمات — نيوترينو الإلكترون، ونيوترينو الميون، ونيوترينو التاو — تتحول باستمرار إلى بعضها البعض. يوصف هذا الرقص بمصفوفة خلط معقدة، ويحاول الفيزيائيون منذ زمن طويل تفكيكها إلى حركات بسيطة. أعاد مؤلفو الدراسة الجديدة بناء أحد هذه التفكيكات — TM1 — باستخدام صياغة 'الدوران النكهي'.

الكون لا يتمدد فحسب — بل يُصدر صوتًا. بعد الانفجار العظيم بقيت في نسيجه أوتار مشدودة — رقيقة كالبروتون، لكنها ثقيلة كالسلسلة الجبلية. اهتزازاتها تولّد موجات ثقالية، وفي هذا الإشعاع، كما في التدوينة الموسيقية، تتشفّر قصة التناظرات الأساسية.

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.

مغناطيس بقطب واحد — شمالي، دون جنوبي. قسّمه إلى نصفين — وبدلاً من مغناطيسين عاديين، ستحصل على مغناطيسين أحاديي القطب. في عالمنا، لم تُعثر بعد على مثل هذه الجسيمات، رغم أن العديد من النظريات تتنبأ بوجودها. تُسمى هذه الأجسام الافتراضية الأقطاب المغناطيسية. لاحظ مؤلفو الدراسة صلة مثيرة للاهتمام.

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.

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.

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 تصادمات النوى الثقيلة في المصادمات، تولد بلازما كوارك-غلوون — حالة من المادة تكون فيها الكواركات والغلوونات حرة، مثل الماء في البخار. الكواركات الثقيلة، مثل كواركات b، عندما تدخل هذه البلازما تفقد طاقتها، وتتحطم حالاتها المقيدة — البوتومونيوم. من خلال مدى ندرة تولدها مقارنة بالتوقع بدون البلازما، يمكن الحكم على خصائص الوسط.

حزمة الإلكترونات في المسرّع تشبه سربًا من الطيور: تطير في مجموعة متماسكة، لكنها مع الوقت تتفرق. عادةً، لإبقاء الجسيمات معًا، تُستخدم مغناطيسات ثقيلة. هنا استغنوا عنها — الحزمة ضغطت نفسها بنفسها. في تجربة على منشأة FACET-II، تم تمرير حزمة من 10 مليارات إلكترون (شحنة 1 nC) بطاقة 10 GeV عبر كومة من رقائق معدنية رقيقة. عندما تمر الحزمة عبر الرقاقة، ينعكس مجالها المغناطيسي عنها ويعود إليها.

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 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.

داخل مستعر أعظم منفجر، يولد عدد لا يُحصى من النيوترينوات – جسيمات شبحية تعبر كل شيء تقريبًا دون أثر. لكنها عندما تتجمع، تبدأ في التأثير على بعضها البعض وتغير دورها بسرعة البرق – يسمي الفيزيائيون هذا بـ«النكهة». سابقًا، كانت حسابات هذه التحولات تعتمد على وسط متجانس أو عشوائيات مُنَعَّمة.

الكون مليء بـالمادة المظلمة غير المرئية، التي لا تكشف عن نفسها إلا من خلال الجاذبية. اشتبه في وجودها فريتز زفيكي، وأكدته فيرا روبين. لكن يبقى اللغز: من أي 'مكونات' تتكون، وبأي وصفات تختلط مع المادة العادية.

الماء في الغلاية يُسخَّن حتى مئة درجة — فيتوقف عن كونه ماءً ويتحول إلى بخار. شيء مشابه يحدث لنوى الذرات عندما تُصطدم بسرعات هائلة في مصادم الهادرونات الكبير. عند درجة حرارة عالية بما يكفي، تفقد البروتونات والنيوترونات التي تتكون منها النوى شكلها وتتفكك إلى كواركات وغلوونات حرة — وهي جسيمات تُحتجز عادة داخل البروتونات.

في عام 2016، سجّل كاشف LHCb في مصادم الهادرونات الكبير ملايين التصادمات بين البروتونات. بين حطام هذه التصادمات وُلدت ب-ميزونات محايدة، وهي جسيمات يمكنها تلقائيًا التحول إلى جسيماتها المضادة والعودة. لقياس هذا التحول، يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة هوية الجسيم عند لحظة الولادة: هل هو مادة أم مادة مضادة؟ تُعرف هذه المهمة بوسم النكهة (flavour tagging).