كيلومتر مكعب نيوترينو

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.

الحليب المغلي يُغطى بطبقة رغوية ترتجف. من حركاتها يمكن تخمين قوة النار تحت القدر ودسم الحليب. بطريقة مشابهة، يتأمل الفيزيائيون الفلكيون إشعاع الخلفية الكونية الميكروي — أقدم ضوء ميكروي وصل إلينا من عصر كان فيه عمر الكون 380 ألف سنة فقط. هذا الإشعاع ليس أملس تمامًا: فهو يحمل تموجات، فروقًا صغيرة في درجة الحرارة.

في أعماق جليد القطب الجنوبي، على عمق يقارب الكيلومترين ونصف، يعمل تلسكوب غير عادي. إنه لا يتجه نحو السماء، بل عبر الأرض. هدفه هو النيوترينوات، وهي جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، وتخترق الكواكب والنجوم. لكن في بعض الأحيان، يصطدم نيوترينو بجزيء جليد، فيولد وميضًا ضوئيًا قصيرًا تلتقطه آلاف المجسات الحساسة. هذه الإشارات الضوئية تراكمت على مدى اثني عشر عامًا.

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.

كرة البلياردو تصطدم بأخرى في ظلام دامس. صوت الاصطدام وقعقعة الكرات الساقطة في الجيوب — هذا كل ما يُسمع. هكذا تقريبًا يدرس الفيزيائيون تفاعلات الجسيمات الأولية عند طاقات لا يستطيع أي مسرع أرضي إنتاجها. في العمل الجديد، حوّل الفيزيائيون الفلكيون مجرات بأكملها إلى مختبرات عملاقة، وأصبحت الكيلومترات المكعبة من الجليد في القارة القطبية الجنوبية ومياه البحر الأبيض المتوسط كواشف.

ثلاثة مقاييس مطر موزعة في مدينة كبيرة. اثنان منها سجلا أمطارًا نادرة لكنها غزيرة جدًا، بينما بقي الثالث — الأكثر حساسية — جافًا. هذا تقريبًا شكل اللغز الذي طرحته كاشفات النيوترينو — جسيمات شبه خفية تأتي من أعماق الفضاء. منطاد ANITA-IV، الذي يحلق فوق القارة القطبية الجنوبية، أبلغ عن أربع إشارات مشبوهة. التلسكوب المائي KM3NeT في البحر الأبيض المتوسط التقط أثرًا قويًا بشكل لا يصدق.

في فبراير 2023، سجل التلسكوب المائي KM3NeT، المرسى على عمق ثلاثة كيلومترات قبالة سواحل صقلية، وميضاً. ميون واحد فقط رسم خطاً عبر الكاشف، تاركاً أثر طاقة قدره 220 بيتا إلكترون فولت. الأمر أشبه بأن تثقب بعوضة جداراً خرسانياً أثناء طيرانها. كان المصدر نيوترينو — جسيم شبح لا يتفاعل تقريباً مع المادة. لكن طاقة هذا «الشبح» كانت هائلة لدرجة أنها أربكت علماء الفيزياء الفلكية.

اليد الخفية لـ المادة المظلمة تضغط المجرات في أحضان الجاذبية، لكن طبيعتها تظل مراوغة منذ قرابة قرن. كان فريتز زفيكي قد اشتبه بوجود كتلة مخفية في العناقيد، وأظهرت فيرا روبين أن النجوم عند الأطراف تدور بسرعة كبيرة - وكأن قائد أوركسترا خفي يدفعها.

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…

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.

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.

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).

داخل الكاشف، الذي يشبه ترمسًا كبيرًا مملوءًا بالجرمانيوم، تولد ومضات ضعيفة. النيوترينوات — جسيمات صغيرة بالكاد تتفاعل مع المادة — تصطدم أحيانًا بنوى الجرمانيوم. تهتز النواة، ويلتقط الكاشف هذا الاهتزاز. لكن للتمييز بين الإشارة الحقيقية والضوضاء، يجب معايرة الجهاز بدقة. قام العلماء في تجربة CONUS+ بتشعيع الكاشف بالنيوترونات من مصدر أمريسيوم-بيريليوم.

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.

النيوترينوات جسيمات خفية تقريبًا: تعبر الكواكب دون أن تلاحظها الذرات. لذلك كل رصدٍ هو حظ موفق. مؤخرًا، رصد كاشف تحت الماء KM3NeT نيوترينو بطاقة تفوق ملايين المرات ما تنتجه أقوى مسرعات الجسيمات على الأرض. وتقول دراسة جديدة: إنه ليس ضيفًا من مجرة بعيدة، بل رسالة من الكون المبكر.

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).

الكون هو شبكة هائلة من المادة المظلمة غير المرئية والمجرات، تتمدد بفعل تمدد الفضاء. النيوترينوات – جسيمات شبه شبحية لا تكاد تمسك بالخيوط، لكن كتلتها الإجمالية تغير بمهارة شدّ الشبكة بأكملها. بدلاً من العقد المضيئة، درس العلماء الفراغات بين الخيوط.

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.

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.

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.

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.

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 مركز المجرة NGC 4278 يوجد ثقب أسود يقذف نفاثتين من البلازما، وكأنه مدفع عملاق يطلق جسيمات في الفضاء. تعمل هذه النفاثات على تسريع الجسيمات إلى طاقات لم تحلم بها أي معجلات أرضية. مؤخرًا، رصد مرصد LHAASO إشعاعًا شديد الصلابة من هذه المجرة، وهو إشعاع ينشأ عندما تصطدم الجسيمات في النفاثة بشيء ما وتنقل طاقتها إلى الضوء.

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.

النيوترينوات الكونية هي جسيمات شبحية تعبر الأرض بحرية. التقط تلسكوب "آيس كيوب" في جليد القارة القطبية الجنوبية أحد هذه النيوترينوات، وتزامن مع وميض تحت أحمر. تبين أن هذا الوميض هو اللحظة التي كان فيها ثقب أسود يمزق نجمًا في مجرة بعيدة.

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.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة تصل إلينا من أعماق المجرة. إذا رسمنا رسمًا بيانيًا يوضح عدد الجسيمات التي تصل عند كل طاقة، نجد الخط مستقيماً ثم ينخفض فجأة بشكل حاد. تسمى هذه الانحناءات "الركب" (knees). وهي تشير إلى أن مسرعًا للجسيمات في الفضاء بلغ حده الأقصى ولم يعد قادرًا على تسريعها أكثر.