كاترين

تخيل غرفة يتحدث فيها مئات الأشخاص في آن واحد، وأنت تحاول سماع سقوط إبرة. هكذا بالضبط استمع فيزيائيو تعاونية PandaX-4T إلى الصمت داخل 3.7 طن من الزينون السائل. «إبرتهم» هي الاضمحلال الرباعي بيتا الخالي من النيوترينو للزينون-136، وهو حدث نادر لدرجة أنه خلال سنة في كيلوغرام واحد من المادة قد لا يضمحل حتى ذرة واحدة.

كرة من الألومنيوم بقطر يعادل حجم كرة أرضية كبيرة تقف في مسار حزمة نيوترونية، وتستجيب لكل اصطدام بنغمة دقيقة. لا يوجد داخل الكرة سوى النيتروجين وإحدى عشرة كرة فولاذية صغيرة، كل واحدة بحجم رأس الدبوس. عندما يدخل نيوترون إلى الكرة، يقتلع جسيمًا من ذرة النيتروجين، ويتحول هذا الارتطام إلى إشارة كهربائية.

في جليد القارة القطبية الجنوبية، يختبئ كاشف بحجم كيلومتر مكعب. إنه لا يلتقط الضوء، بل الجسيمات الشبحية — النيوترينوات، التي لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. لكن في بعض الأحيان، قد يلمع فيه وحش مختلف تمامًا: زوج من الميونات يولدان معًا وينطلقان في مروحة واسعة. هذا النمط لا يمكن أن ترسمه أي جسيمات معروفة من المادة العادية.

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.

نيوترينوات الشمس — جسيمات متناهية الصغر تولد في أعماق الشمس كل ثانية بمعدل تريليونات. تمر عبر الأرض دون أن تكاد تلاحظها، وظلت تُعتبر لفترة طويلة مستقرة تمامًا. لكن ربما هي أيضًا قادرة على «الشيخوخة» — أي تضمحل بشكل غير ملحوظ، وتختفي في طريقها إلينا. قرر فيزيائيون يعملون مع كواشف المادة المظلمة اختبار هذا الاحتمال.

في عام 1998، فاجأت النيوترينوات الفيزيائيين: الجسيم يغير نوعه أثناء الطيران. هذا ممكن فقط إذا كانت له كتلة. أصبح هذا الدليل المخبري الوحيد على فيزياء خارج النموذج القياسي. لكن كم تزن النيوترينوات بالضبط لا يزال لغزًا. التجارب المباشرة، مثل منشأة KATRIN العملاقة في ألمانيا، تقول: كتلة نيوترينو الإلكترون أقل من 0.45 إلكترون فولت.

اصطدام نجمين نيوترونيين هو مختبر كوني تنضغط فيه المادة إلى كثافات لا يمكن تصورها. في اللحظات الأولى بعد الاندماج تنشأ سحابة ساخنة تبرد بإصدار النيوترينوات. هذه الجسيمات الخفية تحمل الطاقة وتقرر كمية المادة التي ستُقذف إلى الفضاء والعناصر الثقيلة التي ستُخلَّق. حتى الآن، كانت النيوترينوات توصف في المحاكاة الحاسوبية بشكل تقريبي: كان يتم حساب متوسط طاقتها وتبسيط التفاعلات المعقدة.

الإلكترون الذي يمر عبر نواة ثقيلة يتصرف مثل كرة تنس تُطلق عبر سياج من القضبان. إذا كانت القضبان موزعة بشكل غير متساوٍ — كثيفة هنا ومتباعدة هناك — فإن الكرة ستنحرف بشكل مختلف. في النواة، تلعب البروتونات والنيوترونات دور "القضبان"، والإلكترون يشعر بالفرق بينهما بفضل التفاعل الضعيف — وهو نفسه المسؤول عن بعض أنواع النشاط الإشعاعي.

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.

الشمس مفاعل نووي هائل يرسل إلينا الضوء والحرارة باستمرار. لكن لديها أيضًا بريد آخر شبه صامت: كل ثانية، تمر عبر سنتيمتر مربع من راحة يدك عشرات المليارات من النيوترينوات، وهي جسيمات شبحية تولد في بوتقة الاندماج النووي. معظمها لا يترك أي أثر.

الشمس ليست مجرد مصدر للضوء، بل هي مختبر عملاق تولد فيه جسيمات شبحية. كل ثانية، تمر مليارات النيوترينوات عبر جسمك دون أن تكاد تلاحظك. لكن داخل الشمس، تتصرف هذه الجسيمات بشكل مختلف: فهي تغير نوعها أثناء الطيران، مثل ممثل يؤدي ثلاثة أدوار في مسرحية واحدة. النيوترينوات ثلاثة أنواع: إلكترونية، وميونية، وتاو.

إذا ضغطت قطعة معدنية عادية، فإنها تسخن — وهذا معروف حتى لمن نفخ إطار دراجة. ولكن ماذا يحدث إذا ضغطت مغناطيسًا ترفض فيه الأسهم الذرية أن تستقر حتى عند الصفر المطلق؟ قررت مجموعة من الفيزيائيين اختبار ذلك على بلورات خاصة — مغناطيسات محبطة (frustrated magnets)، حيث تكون العزوم المغناطيسية للذرات (بوصلات صغيرة) مرتبة في شبكة مثلثية ولا تستطيع أن…

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون حساءً يغلي من الجسيمات الأولية. حتى النيوترينوات الخفيفة كانت آنذاك تتصادم بنشاط مع كل شيء حولها. لكن التوسع السريع برّد هذا الحساء، فتحررت النيوترينوات، وأصبحت شبه غير مبالية بالعالم المحيط.

حوض بماء نقي للغاية، تسقط فيه أحيانًا قطرات صغيرة شبه خفية. كل قطرة تترك تموجًا بالكاد يُلاحظ، ولتسجيله تحتاج إلى سنوات من الصبر. هكذا تبدو مطاردة نيوترينوات الشمس في كاشف DEAP-3600 — خزان ضخم من الأرجون السائل، مخبأ في أعماق الأرض. النيوترينوات هي أكثر الجسيمات المعروفة صعوبة في الالتقاط. تولد في أعماق الشمس، وتمر عبرنا بالمليارات كل ثانية، دون أن تتفاعل تقريبًا مع أي شيء.

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.

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.

النيوترينو هي أكثر الجسيمات كتلةً انتشارًا في الكون. تمر عبرنا تريليونات منها كل ثانية، لكنها لا تترك أثرًا تقريبًا. جاذبيتها الكلية، وإن كانت ضئيلة، قادرة على التأثير في حركة مجرات بأكملها. شخصان يتقاربان في شارع مزدحم؛ المارة غير المرئيين يغيرون سرعتهما. هكذا الحال مع أزواج المجرات: تلعب النيوترينو دور العابرة الخفية، فتُشوّه حركتها قليلًا.

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).

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.

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).

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.

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.

النقطة الكمومية هي مصيدة للإلكترونات بحجم بضع ذرات، حيث تتصرف الجسيمات مثل كرة في صندوق صغير. إذا وضعنا صندوقين من هذا القبيل بجانب بعضهما البعض، يمكن للإلكترونات أن تقفز بينهما، ويصبح النظام مشابهًا لزوج من الأوعية المتصلة.

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.

الكاون جسيم طويل العمر بمقاييس العالم الصغير: يعيش لأجزاء من مليار من الثانية قبل أن يتفكك إلى جسيمات أخف. في تجربة KOTO في اليابان، يلتقط الباحثون أندر أشكال هذا الاضمحلال. أحدها عندما يتحول الكاون إلى بيونين متعادلين وجسيم X آخر، يضمحل فورًا إلى فوتونين (جسيمات الضوء). النموذج القياسي — أفضل خريطة حتى اليوم لعالم الجسيمات الأولية — لا يتنبأ بجسيم X كهذا.

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.

النيوترينوات جسيمات صغيرة تخترق الأرض دون أن تكاد تلاحظها. في تجربة MicroBooNE، تُلتقط هذه الجسيمات داخل خزان من الأرجون السائل. عندما يصطدم نيوترينو بنواة أرجون، تنشأ إلكترون وبروتونات — مثل رذاذ الماء المتطاير عند رمي حجر في بركة. قاس العلماء اتجاهات وطاقات هذه الجسيمات. اتضح أن النماذج تتنبأ جيدًا بسلوك الإلكترون، لكنها تخطئ في زوايا انطلاق البروتونات.

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.

تيتان، أكبر أقمار زحل، محاط بضباب برتقالي كثيف. يتكون من الهيدروكربونات وجزيئات عضوية أخرى تولد عندما يقوم ضوء الشمس بتفكيك الميثان والنيتروجين في الطبقات العليا من الغلاف الجوي. يسمي الكيميائيون هذه العملية فوتوكيمياء — الضوء يعمل مثل طباخ غير مرئي يجمع من المكونات البسيطة أطباقًا متزايدة التعقيد.

النيوترينوات جسيمات أشباح. تمر عبر الأرض دون أن تكاد تلاحظها. لالتقاط واحد منها فقط، تُبنى كواشف ضخمة. في تجربة NOvA، يقع هذا الكاشف في ولاية مينيسوتا. على مدى سنوات عمله، جمع نحو مليون تفاعل من النيوترينوات المضادة الميونية. الأمر أشبه بالتقاط مليون حبة رمل تتطاير عبر منخل بحجم منزل. قاس العلماء ثلاث خصائص لكل تصادم: طاقة الجسيم المنبعث، وزاوية انطلاقه، والطاقة المتاحة للتفاعل.

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 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.

مضاد البروتون هو توأم مرآة للبروتون: نفس الكتلة، لكن بشحنة سالبة. عندما يقترب من نواة الذرة، يمكن للجسيمات أن تفنى، متحولة إلى إشعاع. في تجربة PUMA في سيرن، يدرسون كيف تُلتقط مضادات البروتونات بواسطة النوى وتُشكل ذرات غريبة، تشبه الهيدروجين، لكن مع مضاد بروتون بدلاً من الإلكترون.

في ثلاثينيات القرن العشرين، أدرك فولفغانغ باولي أن توازن الطاقة في النجوم لا يستقيم دون جسيمات صغيرة شبحية. وهكذا دخلت النيوترينوات إلى الفيزياء — وهي كائنات عابرة بالكاد تتفاعل مع المادة، تخترق كل شيء حولنا. ولتفسير قدرتها على التحول إلى بعضها البعض (التذبذبات)، يجب أن تمتلك النيوترينوات كتلة غير صفرية.

في مطياف ضخم في كارلسروه، يشبه برميلًا معدنيًا عملاقًا، تُصطاد جسيمات يكاد يستحيل الإمساك بها. النيوترينوات هي أشباح العالم الصغير: في كل ثانية، تمر تريليونات من هذه الجسيمات عبر جسمك دون أن تشعر بها. لكن لها كتلة، ويسعى العلماء إلى قياسها. لتحقيق ذلك، تستخدم تجربة KATRIN غاز التريتيوم المشع. عندما تضمحل ذرته، ينبعث إلكترون ونيوترينو.

ينطلق الإلكترون من نواة التريتيوم بطاقة مقدارها 18.57 كيلوإلكترون فولت، تاركًا خلفه شريكًا غير مرئي، وهو النيوترينو. إذا كان لهذا النيوترينو وصول إلى البعد الخامس، فإن كتلته تنقسم إلى برج كامل من الحالات، وكل حالة منها تقتطع قطعة من الطيف.

عالياً فوق الأرض يحلّق قمر صناعي، وبداخله جهاز بحجم خزانة صغيرة. يلتقط جسيمات ظلت تندفع عبر المجرة لمليارات السنين حتى اصطدمت أخيرًا بالكاشف. تُسمى هذه الجسيمات بالأشعة الكونية، وهي تحمل إلينا أخبارًا عن انفجارات نجوم بعيدة. جهاز NUCLEON على القمر الصناعي «ريسورس-بي» ظل ستة أشهر يجمع هذه «الرسائل من الفضاء».

ارتفع بالون ATIC فوق القارة القطبية الجنوبية والتقط جسيمات أقدم من الأرض نفسها. من بينها نوى ذرية من الكبريت إلى الكروم، وكلما زادت طاقتها، زادت نسبتها مقارنة بالحديد. النموذج القياسي "الصندوق المثقوب" توقع العكس: كان يجب أن تذوب النوى الثقيلة مثل الملح في الماء. لكن البيانات أصرت على الارتفاع.

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.