LHCb

حزمة نقيضات البروتون تصطدم بالصفيحة، وكل اصطدام يتناثر كوابل من الجسيمات المشحونة. في تجربة GBAR في سيرن، تُرصد هذه الظاهرة ليس بكاشف معقّد، بل بكاميرا صناعية عادية بدون عدسة، ملاصقة لنافذة التفريغ من الخارج. رقاقة معدنية معتمة تحجب المستشعر عن العالم الخارجي، لكن الجسيمات تخترقها كالسكين في الزبدة وتترك آثارًا قصيرة ومضيئة في السيليكون.

راقصان على خشبة واحدة يكرران حركات بعضهما حتى عندما يفصل بينهما ستار. في العالم الكمومي، تُسمى هذه الأزواج متشابكة، ويختبر الفيزيائيون منذ نصف قرن مدى امتداد هذا الارتباط. حتى الآن، كانت جميع الاختبارات على الجسيمات الضخمة تتعلق بخصائصها الداخلية، مثل السبين، وليس بحركتها نفسها. غير أن الحركة هي التي تحدد كيفية انتشار المادة في الفضاء واستجابتها للجاذبية. الآن، جعل فيزيائيون أستراليون العزوم نفسها ترقص.

في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) تُصطدم البروتونات، وأحياناً بين الحطام يظهر جسيم ثقيل — بارون لامدا. هذا بارون، أي جسيم يتكون من ثلاثة كواركات، مثل البروتون أو النيوترون، لكنه يحتوي على كوارك غريب أثقل. يعيش بارون لامدا لجزء ضئيل من الثانية ثم يضمحل إلى جسيمات أخرى.

إشعاع الخلفية الكونية الميكروي هو الضوء المتحجر للحظات الأولى. بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم، تمددت التقلبات الكمومية المجهرية بفعل التضخم إلى مقاييس العناقيد المجرية الفائقة. تظهر هذه التموجات اليوم في الخلفية الكونية الميكروية كنمط من البقع الحرارية.

في أواخر التسعينيات، فاجأتنا السماء المرصعة بالنجوم: اكتشف شاول بيرلموتر وآدم ريس أن توسع الكون يتسارع. منذ ذلك الحين، ظل اللغز الأكبر هو الطاقة المظلمة — المادة التي تشكل قرابة 70% من الكون، لكنها تفلت من الدراسة المخبرية.

لم يبدأ كل شيء من الفراغ، بل من محيط هائج من البلازما. في هذا الحساء البدائي، كانت الموجات الصوتية تجري عبر المادة النارية، وتتصادم وتضغطها. أحيانًا، يصبح التكتل كثيفًا لدرجة أن الضوء لا يستطيع الهروب — وهكذا، مباشرة من الغاز الملتهب، وُلد ثقب أسود بدائي. على عكس العمالقة التي تنشأ عند موت النجوم، قد تكون هذه الثقوب "الأحفورية" صغيرة جدًا — بحجم جبل أو حتى حبة رمل.

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.

على كفة ميزان نضع كل مادة الكون، وعلى الكفة الأخرى كل مادة مضادة. وفقًا لقوانين الفيزياء، كان ينبغي أن تتوازن الكفتان لحظة ولادة الكون. لكننا نرى أن إحدى الكفتين ترجحت: حولنا نجوم وكواكب وبشر، بينما لا توجد مادة مضادة تقريبًا. هذا الاختلال هو أحد أعظم الألغاز.

حجر يُلقى في الماء يترك دوائر. والقمر الصناعي الذي يدور حول الأرض يترك أثرًا أيضًا — ليس على الماء، بل في قوانين الفيزياء. مداره ليس خطًا ثابتًا: فهو ينحرف ببطء، مثل عقرب ساعة عملاقة. جزء من هذا الدوران يمكن تفسيره بالجاذبية المألوفة، لكن تظهر أدلة متزايدة على أن هناك شيئًا آخر يتدخل — غير مرئي ومنتشر في كل مكان.

تكون الثقوب السوداء خفيفةً — ناتجةً عن موت النجوم، وفائقة الكتلة — في أنوية المجرات. كان ينقصنا الحلقة الوسيطة. ساعدت في الاكتشاف التدفقات الراديوية السريعة — إشارات كونية تدوم أجزاءً من الألف من الثانية، لكنها تحمل طاقةً تضاهي ما تطلقه الشمس في أيام. يمكن تخيّل هذه التدفقات كصرخاتٍ من أعماق الكون.

في البداية، بعد لحظات من الانفجار العظيم، كان الكون متماثلًا بشكل طريف: جسيمات ومضادات جسيمات بالتساوي. ولكن حدث اختلال، صغير جدًا، مثل حبة رمل زائدة في كيلوغرام من السكر، ومن هذا الفائض نشأ كل العالم المألوف لنا: النجوم والكواكب والبشر. كيف رتبت الطبيعة هذا التفوق بالضبط، لا يزال لغزًا. أحد المشتبه بهم هو النيوترينوات فائقة الثقل. عند اضمحلالها، أنتجت مادة أكثر قليلًا.

ظل لغز المادة المضادة المفقودة يشغل الفيزياء منذ منتصف القرن العشرين. كان ينبغي لـ الانفجار العظيم أن ينتج كميات متساوية من المادة والمادة المضادة، لكن عالم اليوم يكاد يكون ماديًا بالكامل. يعجز النموذج المعياري عن تفسير عدم تناسق الباريونات هذا — مما يستدعي جسيمات وآليات جديدة خارجه.

ساعتان تعرضان وقتين مختلفين. إحداهما على طاولتنا، والأخرى بعيدة في الماضي، في التوهج الذي خلفه الانفجار العظيم. الأولى، بالنظر إلى المجرات القريبة، تحسب معدل توسع الكون — حوالي 73 كيلومترًا في الثانية لكل ميجابارسك من المسافة. الثانية، بالتأمل في الضوء القديم، تعطي رقمًا أقل بشكل ملحوظ — حوالي 67.

سقوط عملة معدنية على حافتها — بهذه الندرة تقريبًا يضمحل بَيون ثقيل إلى بيون خفيف وزوج إلكترون-بوزيترون. على مدى عقد من تشغيل المصادم، لم تُجمع سوى حفنة من هذه الأحداث، لكن الفيزيائيين تمكنوا أخيرًا من رصدها. احتمال الاضمحلال بلغ حوالي 2.4×10⁻⁸.

في مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات مليارات المرات في الثانية، ومرة واحدة فقط من كل تريليون تصادم يولد زوج من بوزونات هيغز (الجسيمات المسؤولة عن كتلة كل شيء). في تجربة CMS، كان الفيزيائيون يتعقبون مثل هذه الأحداث تحديدًا.

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.

في كل ثانية، تحدث في أجسامنا مليارات من الاضمحلالات، لكن لا أحد يلاحظ ذلك. أما الفيزيائيون فيلاحظون: فهم يصطدمون الجسيمات في المسرعات ويراقبون إلى أي شظايا تتطاير. وفي هذه الشظايا يختبئ الجواب عن سؤال لماذا نوجد أصلاً. فبعد ولادة الكون مباشرة، كان عدد الجسيمات والجسيمات المضادة متساوياً، لكن اليوم لا نرى حولنا إلا الجسيمات.

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.

قام علماء الكونيات بقياس السرعة التي تتباعد بها المجرات البعيدة في مناطق مختلفة من السماء. وللقيام بذلك، استخدموا نوعين من "المساطر الكونية": تجمعات المجرات وانفجارات المستعرات الأعظمية من نوع معين. أظهرت الطريقتان النتيجة نفسها: في اتجاه واحد، يتمدد الكون أسرع قليلاً منه في الاتجاه المعاكس. الفرق صغير — حوالي 2 سيغما، أي أنه قد يكون عشوائياً، لكنه يتكرر في جميع الفحوصات.

طريق دائري حول الشمس، لا تسير عليه السيارات بل كتل من المادة. قطر هذا الطريق سنوات ضوئية: إنه يحيط بنظامنا الكوكبي عند حدوده الخارجية، في سحابة أورت، حيث لا يزال جاذبية النجم محسوسًا بشكل ضعيف. هذا هو حجم الجهاز الذي تقترح مجموعة من الفيزيائيين بنائه لدراسة بوزون هيغز والبحث عن جسيمات جديدة.

في اصطدامات البروتونات داخل مصادم الهادرونات الكبير، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من رصد جسيم يحمل كوَاركين ساحرَين. يُدعى هذا الجسيم Ξcc+ (يُنطق «كسي-سي-سي-زائد») ويشبه خرزة تحتوي على نواتين ثقيلتين بدلًا من واحدة. هذه الجسيمات نادرة للغاية: من بين مليارات الاصطدامات، لا يُنتج سوى عدد قليل منها مثل هذه الحالة الغريبة.

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.

عندما يتحلل بوزون W (الجسيم الناقل للتفاعل الضعيف) إلى كوارك وكوارك مضاد، فإن هذين الشظيتين تطيران في نفس الاتجاه تقريبًا بسبب السرعة الهائلة للمصادم. لا يرى الكاشف جسيمين منفصلين، بل نفاثة واحدة عريضة — كما لو أن عدّاءَين عند خط النهاية يندمجان في بقعة واحدة في الصورة الفوتوغرافية. داخل هذه النفاثة تكمن معلومات عن كتلة بوزون W الأصلي.

في كاشف LHCb، وكأنه كاميرا عملاقة تلتقط مليارات «الصور»، تُرصد الأحداث النادرة: كيف تتفكك الجسيمات قصيرة العمر — بوزونات B — إلى جسيمات أخف. أحد هذه الاضمحلالات، عندما يتحول بوزون B إلى كاون وزوج من الميونات، مثير للاهتمام بشكل خاص. فيه، كما في مرآة، قد يظهر الاختلاف بين المادة والمادة المضادة.

في عام 2017، اصطدمت البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير بطاقة 5.02 تيرا إلكترون فولت. سجل كاشف CMS هذه التصادمات، وبين مليارات الأحداث، بحث الفيزيائيون عن حالة نادرة: نشوء كوارك قمي واحد فقط دون جسيمه المضاد. عادةً، تظهر الكواركات القمية في أزواج — كوارك وكوارك مضاد معًا، مثل وجهي عملة واحدة.

مضاد بروتون واحد محبوس في مصيدة ومبرد إلى ما يقارب الصفر المطلق يتصرف مثل شوكة رنانة يجب أن تُضرب بدقة شديدة لتسمع صوتًا نقيًا. التقاط هذا "الصوت" مباشرة شبه مستحيل — الإشارة ضعيفة جدًا. فيزيائيو تعاون BASE ابتكروا حيلة ذكية: بجانب مضاد البروتون في نفس المصيدة يوجد أيون بيريليوم أيون يعمل كميكروفون حساس.

في اللحظات الأولى بعد تصادم نواتي رصاص في مصادم الهادرونات الكبير، تنشأ كرة نارية صغيرة للغاية — حساء كواركات، حيث تتحرك الجسيمات بحرية. إذا نشأ مجال مغناطيسي قوي جدًا في تلك اللحظة، فقد يفصل الشحنات الموجبة والسالبة، كما يفصل المشط خصلات الشعر.

توأمان متطابقان في المظهر، لكن أحدهما أعسر والآخر أيمن. في عالم الجسيمات الأولية توجد أزواج مشابهة: Ξ- وجسيمها المضاد Ξ+. يولد الاثنان معًا في اضمحلال الجسيم J/ψ، وكالتوأمين المتشابكين، يحتفظان بعلاقة حتى عبر المسافات. تابع العلماء في منشأة BESIII في الصين مليارات من هذه الأزواج لمعرفة ما إذا كانت تضمحل بالطريقة نفسها. لو وُجد اختلاف، لكان ذلك يعني أن الطبيعة تفضل جانبًا على آخر قليلًا.

في مركز مجرتنا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة، تدور حوله نجوم. حركتها تشبه رقصة دائرية: بعضها يندفع في مدارات إهليلجية ممدودة، وبعضها في مدارات شبه دائرية. إذا كانت هناك مادة مظلمة غير مرئية بالقرب من الثقب الأسود، فإنها تُحدث تشوهًا طفيفًا في هذه المدارات، وكأن يدًا خفية تدفع النجم جانبًا.

على مصادم الهادرونات الكبير، بتسريع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء، تُنتج الكواركات القمية — أثقل لبنات النموذج المعياري. تعيش لجزء ضئيل من الثانية، لكنها تتمكن من إظهار ترابطات كمومية معقدة. هذه الترابطات تشبه مستويات التناغم في فرقة موسيقية.

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 عام 2018، جرى في مصادم الهادرونات الكبير جمع بيانات خاص: كاشف CMS كان يلتقط اصطدامات البروتونات بسرعة هائلة، بهدف جمع عشرة مليارات جسيم يحتوي على كوارك قمي. هذه الجسيمات، ب-ميزونات، تعيش لأجزاء صغيرة جدًا من الثانية وتتحلل إلى جسيمات أخف، مثل قطار محمّل بشكل زائد يرمي عرباته أثناء السير.

في مُعجّل الجسيمات، جسيم لامدا المضاد ضيف نادر. يولد أثناء الطيران، ويعيش لجزء ضئيل من الثانية، وعادةً ما يضمحل من تلقاء نفسه. لكن في بعض الأحيان يصطدم ببروتون عادي — وعندها يولد حزمة كاملة من الجسيمات الخفيفة: كاونات وبيونات. مثل هذه الاصطدامات رُصدت لأول مرة في كاشف BESIII في مُعجّل BEPCII في بكين. هناك، اصطدمت إلكترونات ببوزيترونات لإنتاج ميزونات J/ψ، والتي اضمحلت إلى أزواج: هيبيرون لامدا وجسيمه المضاد.

الهيليوم في بالون الهواء هو الغاز الذي يجعله يرتفع. لكن قبل البالونات بزمن طويل، وُلد الهيليوم في الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم. كميته الدقيقة في الكون هي بمثابة بصمة إصبع: يمكننا من خلالها معرفة عدد أنواع النيوترينوات (الجسيمات الشبحية التي تخترق الجدران) الموجودة. وجد علماء الفلك طريقة لقياس هذه البصمة بدقة أكبر.

في المسرعات العملاقة، تطير الجسيمات بسرعة تقارب سرعة الضوء وتتصادم وجهًا لوجه. لكن في بعض الأحيان تكون إحدى الحزم أكثر كثافة قليلاً من الأخرى — كما لو أن شخصًا ما وقف في الاتجاه الخاطئ على سلم كهربائي مزدحم. عندها تكون التصادمات غير متساوية، وتبدأ الأجهزة في "الوميض"، مما يخل بالقياسات. لمنع ذلك، يجب التحكم في كثافة الحزم بدقة شديدة. يقترح العلماء استخدام الليزر لهذا الغرض.

في كاشف LHCb التابع لمصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات، وتولد لحظيًا جسيمات غير موجودة في المادة العادية. أحد هذه الجسيمات هو ميزون B المحايد. يعيش أقل من جزء من مليار من الثانية ويتحلل إلى جسيمين آخرين: الرنين الضيق J/ψ والرنين الأوسع ρ(770). تتبع الفيزيائيون ملايين من هذه الاضمحلالات ولاحظوا شيئًا غريبًا.

في كاشف BESIII، تؤدي الجسيمات عرضًا مسرحيًا: تتصادم، وتولد، وتضمحل، تاركة ومضات من الضوء. لكن في بعض الأحيان قد يغادر الممثل المسرح دون أن يلاحظه أحد — عبر باب سري لا تراه الكاميرات. بحث الفيزيائيون عن مثل هذه الاضمحلالات "الصامتة"، عندما يتحول الجسيم إلى شيء غير مرئي للأجهزة. للقيام بذلك، استخدموا عشرة مليارات حدث مع جسيم J/ψ — وهذا يشبه النظر إلى عشرة مليارات صورة لنفس اللحظة.

حجر صغير يسقط في بركة، فتنتشر دوائر على سطح الماء. لكن في بعض الأحيان، لا يغوص الحجر فورًا إلى القاع: بل ينزلق تحت السطح، ويقطع عدة أمتار، ثم يطفو أخيرًا، مولدًا دوائر في مكان غير متوقع. هكذا يبحث الفيزيائيون عن الجسيمات طويلة العمر: فهي تولد في تصادم البروتونات، وتطير عبر الكاشف دون أن تُلاحظ، ثم تتحلل إلى جسيمات عادية بعيدًا عن نقطة ولادتها.

يُطلق قمّتان دوّارتان في وقت واحد وفي اتجاهين متعاكسين. إذا دارت إحداهما يسارًا، تدور الأخرى يمينًا دائمًا — مهما ابتعدت إحداهما عن الأخرى. هكذا تقريبًا يعمل التشابك الكمومي، لكن بدل القمم لدينا كواركات القمة، أثقل الجسيمات المعروفة.

داخل البروتونات المسرَّعة إلى سرعة تقارب سرعة الضوء، يُولد أحيانًا جسيم أثقل من ذرة الذهب، وهو كوارك القمة. يعيش هذا الجسيم أجزاء من الثانية فقط ثم يضمحل، تاركًا أثرًا في كاشف أطلس (ATLAS). جمع الفيزيائيون هذه الآثار على مدى أربع سنوات لفهم مدى تكرار ظهور كوارك القمة ونقيضه المرآتي، كوارك الضديد.