هايبر كاميوكاندي

النيوترينوات جسيمات شبحية شبه مستحيلة الرصد، تخترق الأرض دون أن تكترث بها لأنها لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. لكن في بعض الأحيان، يصطدم أحدها بنواة ذرة ماء، فيتولد عندها وابل كامل من الجسيمات: ميونات وبروتونات وبيونات. التقاط هذه اللحظة يشبه تصوير رصاصة تصيب تفاحة من على بُعد كيلومتر.

يرسل الكون إلينا إشارات باستمرار، لكن كثيرًا منها أضعف من أن تُلاحَظ. النيوترينوات الأثرية النيوترينوات — الجسيمات التي خلفها الانفجار العظيم — تخترق الأرض بالمليارات كل ثانية، لكن التقاط واحدٍ منها فقط مهمةٌ على حافة المستحيل. نحتاج إلى كاشفٍ يستشعر طاقةً أصغر بألف مرة من الطاقة اللازمة لتحريك ذرّة غبار. يعمل الجهاز الجديد SuperEM كأذنٍ مرهفة تلتقط الهمس.

قياس المسافات في الكون ليس بالمهمة السهلة. فجميع الطرق تقريبًا تعتمد على الضوء، وهو قد يتعرض للامتصاص أو التشتت أو التشويه أثناء رحلته إلينا. الأمر أشبه بمحاولة رؤية منارة بعيدة عبر الضباب والدخان. أما النيوترينوات فقصة مختلفة تمامًا. هذه الجسيمات الشبحية، التي لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، تخترق أي شيء دون أن تعترضها العوائق.

عالياً في الجبال، حيث الهواء نقي وهادئ، يستعد الفيزيائيون لاصطياد ضيوفٍ خفيّين من الفضاء — النيوترينوات. هذه الجسيمات، مثل الأشباح، تخترق الأرض دون أن تترك أثراً يذكر. لكن أحياناً يصطدم نيوترينو بذرة، مولّداً وابلاً من الجسيمات يمكن رؤيته. النيوترينوات ثلاثة أنواع (نكهات): إلكترونية، وميونية، وتاو-نيوترينو.

حوض ضخم مليء بسائل شفاف مخبأ في أعماق الأرض. لا يوجد فيه سوى «مرق» نقي للغاية يومض بضوء خافت عندما يمر عبره جسيم غير مرئي. هذا هو كاشف JUNO، 20 ألف طن من الومّاض السائل، المبني لاصطياد النيوترينوات. العدو الرئيسي لهذا الاصطياد ليس الظلام، بل الضوضاء الذاتية. فالسائل نفسه، وجدران الخزان، وحتى المسامير والحشوات قد «تشع» قليلًا — أي تُصدر جسيمات بسبب النشاط الإشعاعي الطبيعي.

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 أعماق النجم النيوتروني، تكون المادة مضغوطة بشدة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات المألوفة تفسح المجال للاعبين جدد. هناك تولد الهايبرونات (hyperons) — وهي جسيمات يعيش داخلها كوارك غريب. السؤال عن مقدار الطاقة اللازمة لإخراج مثل هذا الهايبرون من الوسط النووي ليس سؤالاً عابراً: فالإجابة عليه تحدد ما إذا كان النجم سيصمد أم ينهار ليتحول إلى ثقب أسود.

عندما يستنفد نجم هائل وقوده، ينهار قلبه مولّدًا مستعرًا أعظم ومرسلاً وابلاً نافذًا من النيوترينوات. في ثلاثينيات القرن العشرين، تنبأ فريتز زفيكي وفالتر بادي بولادة نجوم نيوترونية في مثل هذه الكوارث، بينما كشف هانز بيته عن عمليات الاندماج النووي…

يطور المهندسون سبيكة لمجمعات الطاقة الشمسية، بإضافة جسيمات صلبة مشتتة إلى المصفوفة — طور مقوٍّ، يشبه الزبيب في العجين، يسمح للمادة بالحفاظ على استقرارها البنيوي في درجات حرارة قصوى الحرارة. إذا كانت هذه الشوائب كبيرة جدًا، تنشأ تشققات في المادة. سابقًا، اضطر العلماء إلى عد هذه الجسيمات يدويًا في الصور المجهرية الملتقطة بالميكروسكوب.

في أعماق المحيط، حيث لا يصل الضوء، تولد خطة لاصطياد جسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع أي شيء. الجيوتريونات (geoneutrinos) — رسل صغيرة من الوشاح الملتهب — تنطلق عند تحلل اليورانيوم والثوريوم. تدفقها يحمل معلومات عن كمية الحرارة المخبأة تحت أقدامنا. تعاني الكاشفات الأرضية من خلفية قوية: إشارة القشرة تطغى على صوت الوشاح الخافت.

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.

كثيرًا ما تُشبَّه النيوترينوات بإرسال إذاعي تلتقطه أجهزة استقبال مختلفة. محطة واحدة ترسل الإشارة، لكن الهوائيات في اليابان والقارة القطبية الجنوبية وقاع البحر الأبيض المتوسط تسمعها بشكل مختلف — بسبب المسافة والتشويش واتجاه الهوائي. حتى الآن، كان يُعتقد أنه لا يمكن دمج التسجيلات من هذه «الأجهزة» المختلفة في صورة واحدة ذات معنى: فالتفاصيل التقنية كثيرة جدًا. مجموعة من الفيزيائيين أثبتت العكس.

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.

في مكان ما في الانتفاخ المجري، يتربص نجم ضخم خامل، على وشك استبدال احتراقه الهادئ بانهيار. يستنفذ لبّه وقوده، وفي جزء من الثانية يولد نجم نيوتروني أو ثقب أسود، قاذفًا 10⁵⁸ نيوترينو – أي معظم طاقة الانفجار تقريبًا.

مصوّر فوتوغرافي يلتقط غابة ليلية محاولًا الإمساك باليراعات في كادر. الومضات نادرة وخافتة، وحوله ضجيج الريح وأضواء بعيدة. هكذا تقريبًا يعمل الكاشف الضخم Hyper-Kamiokande في اليابان: فهو يلتقط النيوترينوات — جسيمات شبه غير ملموسة — عبر ومضات ضوئية صغيرة في 260 ألف طن من الماء.

في أعماق الأرض في اليابان، يوجد خزان ضخم من أنقى المياه. ينتظر ضيوفًا نادرين — النيوترينوات القادمة من انفجارات نجوم بعيدة. مثل هؤلاء الضيوف لا يظهرون تقريبًا أبدًا: على مدى سنوات المراقبة، يسجل جهاز Super-Kamiokande بضع حوادث فقط. لكن مؤخرًا، لاحظ الفيزيائيون أن عدد الضيوف أكبر قليلاً من المتوقع. هذا الفائض يشبه رنين هاتف هادئ في الليل — ضعيف لكنه ملحّ.

خزان ضخم من الماء فائق النقاء مخبأ في أعماق الأرض في اليابان. جدرانه مغطاة بآلاف المصابيح الحساسة للضوء، التي تلتقط ومضات خافتة — آثار جسيمات شبحية تخترق عمود الماء. هذا الكاشف، سوبر كاميوكاندي، ظل يحدق في السماء لفترة طويلة بحثًا عن صدى نيوترينوي لانفجارات نجمية قديمة. وفجأة — تدفق غير متوقع.

سياج غير مرئي يعترض المضيق. لا يمكن التسلق فوقه أو الغوص تحته، فهو ليس مصنوعًا من الفولاذ بل من تيار من الجسيمات التي تخترق عمود الماء. هكذا يمكن وصف فكرة كشف الغواصات النووية عبر إشعاع مضادات النيوترينو. يعمل المفاعل النووي كمصباح لا ينطفئ، باعثًا مليارات من هذه الجسيمات كل ثانية. وهي بالكاد تتفاعل مع المادة، فتخترق هيكل الغواصة وكيلومترات من الماء بحرية.

في أعماق البحر المتوسط، حيث يضغط الماء بقوة مئات الأجواء، كانت شبكة من الكرات الحساسة للضوء تنتظر ضيفًا نادرًا. وقد جاء — نيوترينو حمل عبر سمك الأرض طاقة تعادل ضربة طوبة طائرة. لكن بدلاً من الطوبة، جسيم صغير، شبه غير محسوس، لكنه قادر على إخبارنا عن أكثر زوايا الكون اضطرابًا. سُمي هذا الجسيم KM3-230213A. وهو الأول في التاريخ الذي تتجاوز طاقته 100 إلكترون فولت (PeV).

مترجم في منتصف القاعة يبدأ فجأة في نقل الرسالة بالعكس. هذا تقريبًا ما قد يفعله النيوترينو — الجسيم الشبح الذي لا يكاد يتفاعل مع المادة — إذا اعترضت طريقه سحابة من المادة المظلمة فائقة الخفة. أظهر مؤلفو الدراسة أن النيوترينو في مثل هذه السحابة يمكن أن يتحول إلى نقيضه، النيوترينو المضاد، وهذا ليس مجرد فضول نظري.

سرعة الضوء في الفراغ هي إيقاع الفيزياء: تضبط نسق جميع العمليات. إذا اختل هذا الإيقاع، ينهار الانسجام المألوف. والنيوترينوات — تلك الجسيمات المنتشرة في الكون لكنها شبه خفية — قادرة على اختبار ما إذا كان هذا الإيقاع يضطرب في الظروف القاسية. ستصطاد كواشف المستقبل GRAND و POEMMA أعلى طاقات النيوترينو، حيث يظهر أي انحراف بشكل أوضح.

كرة ضخمة مملوءة بسائل تومض عندما يمر عبرها جسيم بعيد المنال — النيوترينو. داخل الكرة، مثل اليراعات على شجرة عيد الميلاد، تتدلى آلاف الأنابيب التي تلتقط هذه الومضات. لتحديد أين ومض الضوء بالضبط وكم طاقة وصلت، يجب معرفة موضع كل أنبوب بدقة تصل إلى المليمتر. أثناء تجميع كاشف JUNO، انحنى الهيكل الفولاذي الذي تُثبت عليه الأنابيب قليلاً تحت وزنه. فلم تكن الأنابيب في المواضع التي رُسمت في المشروع.

داخل كل ذرة يعيش بروتون. لفترة طويلة، اعتُبر أبديًا مثل المادة نفسها. لكن النظريات التي توحّد كل قوى الطبيعة تتنبأ بأن البروتون سيضمحل عاجلاً أم آجلاً. السؤال الوحيد هو: كم علينا أن ننتظر؟ في الكاشف الياباني سوبر-كامينوكاندي — وهو خزان ضخم من الماء فائق النقاء — بحث الفيزيائيون عن آثار لمثل هذا الاضمحلال. راقبوا البروتونات لمدة 0.4 ميغاطن-سنة (أي ما يعادل مراقبة مليون طن من الماء لمدة عام كامل).

في أعماق جبل إيكينو الياباني، يوجد خزان يحتوي على خمسين ألف طن من أنقى المياه. فيه تُلتقط النيوترينوات — جسيمات شبحية تخترق الأرض من طرف إلى آخر دون أن تكاد تلاحظها. عندما ينفجر نجم في مجرتنا، تصل النيوترينوات أولاً، قبل الضوء بساعات. المستعر الأعظم يولّد وميضاً من النيوترينوات، وأصبح كاشف سوبر-كامينوكاندي قادراً على تحديد الجهة التي جاء منها بسرعة.

النيوترينوات هي جسيمات صغيرة تخترق سمك الكوكب كما يخترق الضوء زجاج النافذة. في كل ثانية، تمر مليارات من هذه الجسيمات عبر ظفر إصبعك الصغير، لكن التقاط حتى جسيم واحد منها ليس بالمهمة السهلة. لهذا الغرض، حُفر منجم في كندا بعمق كيلومترين ووُضع فيه كاشف SNO+. العمق ضروري للاختباء من الأشعة الكونية التي تسبب تشويشًا. يوجد في الكاشف كرة ضخمة مملوءة بسائل وميضي (scintillator).

في أعماق الأرض، تحت أقدامنا مباشرة، يحدث تحلل بطيء للعناصر المشعة. وينتج عن ذلك جسيمات صغيرة تُعرف بالجيولنيوترينوات. تمر هذه الجسيمات عبر القشرة الأرضية والوشاح واللب، دون أن تتفاعل تقريبًا مع أي شيء. لكن إذا تمكنا من التقاط حتى عدد قليل من هذه الجسيمات، يمكننا معرفة مما يتكون باطن الأرض بالضبط — كم يوجد فيه من البوتاسيوم أو اليورانيوم أو الثوريوم.

الماء العادي في الكوب شفاف وهادئ. لكن إذا أضفت إليه نقاطاً كربونية صغيرة مصنوعة من السكر وحامض الستريك في ميكروويف عادي، يبدأ الماء بالتوهج عندما يمر عبره جسيم مشحون. النقاط الكربونية هي جسيمات كربون حجمها بضعة نانومترات، أصغر من الفيروس.

يضمحل التريتيوم المشع، وينبعث منه إلكترون. طاقته دائمًا متشابهة تقريبًا، لكنها أحيانًا تكون أقل قليلًا. هذا «النقص» قد يعني أنه إلى جانب النيوترينو العادي، وُلد جسيم آخر خفي. النموذج القياسي يصف ثلاثة أنواع من النيوترينوات، لكن العلماء يشتبهون في وجود رابع — عقيم. لا يشارك في أي تفاعل سوى الجاذبية، لذلك لا يمكن التقاطه مباشرة.

النيوترينوات — جسيمات أولية — تُلقب عن جدارة بـ«الأشباح»: فهي بالكاد تتفاعل مع المادة، مما يجعل اكتشافها مهمة بالغة الصعوبة. تنبأ بوجود النيوترينوات فولفغانغ باولي، وأطلق عليها إنريكو فيرمي هذا الاسم.

في خزانٍ مظلمٍ يتسع لثلاثين طنًا، يتوهج الماء عندما يعبره جسيمٌ شبحٌ. النيوترينو لا يتفاعل تقريبًا مع المادة، لكنه من حينٍ لآخر يصطدم بذرةٍ، وعندها يولد وميضٌ. لالتقاط هذا الوميض، يُضاف إلى الماء مادةٌ خاصة — وميضٌ سائل (liquid scintillator) — تعمل على تضخيم الضوء. الكاشفات التقليدية ترى إما نوعًا واحدًا من التوهج أو الآخر.

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 عمق الجليد في القارة القطبية الجنوبية، على أعماق لا يصلها ضوء الشمس، تتدلى هوائيات. إنها لا تلتقط الأصوات بل الموجات الراديوية — وتنتظر إشارة من جسيم يكاد يكون من المستحيل الإمساك به. يخترق النيوترينو الأرض كما تخترق الرصاصة الضباب، لكن في بعض الأحيان، نادرًا جدًا، يصطدم بذرة جليد. عندها يولد وميض راديوي قصير — وتسجله الهوائيات.

في أبريل 2023، رصدت الأقمار الصناعية اليابانية توهجاً فائق القوة بالأشعة السينية على النجم النيوتروني MAXI J1752–457. برد النجم في 4 أيام — أسرع بخمس مرات من المعتاد. كما لو أن أحداً فتح نافذة كونية. هذه النافذة فتحتها 'عملية أوركا' النووية. في محيط من النوى الذرية بسمك مئات الأمتار، تتبادل البروتونات والنيوترونات الإلكترونات مولدّةً النيوترينوات.

رصاصة لا تخترق هدفًا واحدًا فحسب، بل تترك أثرًا في عدة طبقات من الدروع. هذا تقريبًا سلوك المادة المظلمة فائقة الثقل، التي تم البحث عنها لأول مرة في كاشف DarkSide-50. المرشحون المعتادون للمادة المظلمة — الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMP) — تمر عبر المادة بشكل شبه غير مرئي، وتصطدم أحيانًا بالأنوية.

في قاعة مظلمة ضخمة، يبحثون عن شخص واحد لا يصدر أي صوت تقريبًا. هكذا يطارد الفيزيائيون النيوترينوات العقيمة (sterile neutrinos) — جسيمات شبحية تخترق المادة دون أن تترك أثرًا يذكر. في مركز المسرع الياباني J-PARC، يعمل جهاز JSNS². يختبر هذا الجهاز لغزًا قديمًا: في تسعينيات القرن الماضي، شاهدت التجربة الأمريكية LSND تلميحًا لنيوترينوات زائدة لم يكن من المفترض أن توجد.

جسيمات كونية بطاقة تفوق بملايين المرات ما تستطيع مسرعات الأرض توليده، تصطدم بالغلاف الجوي وتُنتج وابلًا من الجسيمات الثانوية. يشع هذا الوابل موجاتٍ راديوية تلتقطها هوائيات على الأرض. لكن الإشارة ضعيفة: يطغى عليها ضجيج الراديو القادم من مجرتنا وضجيج أجهزة الاستقبال نفسها. تمييز مثل هذه الإشارة أشبه بسماع همسٍ في شارعٍ مزدحم. تعمل الشبكة العصبية كمترجمٍ يستمع في الوقت نفسه إلى نبرة الصوت ويفكك الكلمات.

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.

في الحقل يقف خزان ماء يُستخدم عادةً لالتقاط الجسيمات القادمة من الفضاء. الآن يراقب كمية الرطوبة في الأرض تحت الأقدام. يعمل الماء في الخزان كمصيدة للنيوترونات — جسيمات صغيرة تنطلق من التربة عندما تصطدم بها الأشعة الكونية. كلما كانت الأرض أكثر جفافاً، زاد عدد النيوترونات المنبعثة، وزاد تواتر تسجيل الخزان لها.

في خزان من الماء النقي، تترك الجسيمات التي تطير أسرع من الضوء في هذا الوسط ومضات زرقاء — مثل الطائرة التي تخترق حاجز الصوت فتُحدث دويًا. من خلال هذه الومضات يمكن معرفة أي ضيف مرّ: كمية غاما أو نيوترون. المهمة ليست تافهة: على الحدود وفي المستودعات، يجب التمييز بسرعة بين الشحنة المشعة غير الضارة والمواد الصالحة للأسلحة. أولاً، تعمل عتبة فيزيائية بسيطة.

في أعماق نجم يحتضر، أثقل من الشمس بثماني مرات، وقبل أيام قليلة من الانفجار النهائي، يبدأ حمّى صامتة. ينضغط قلب النجم ويسخن، وتنبعث منه نيوترينوات — جسيمات صغيرة لا تكاد تتفاعل مع المادة. هذا التدفق يشبه همسًا خافتًا قبل صرخة مدوية: المستعر الأعظم لم ينفجر بعد، لكنه يرسل إشارة عن موته الوشيك. على الأرض توجد كاشفات قادرة على التقاط هذا الهمس.