أرغون سائل

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.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون. وجودها يُستدل عليه من تأثيرها الجاذبي على حركة النجوم والمجرات، لكن تكوين هذا الهيكل يظل لغزًا. إحدى الفرضيات هي جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. وهي بالكاد تتفاعل مع المادة العادية، لكنها في حالات نادرة قد تُظهر نفسها.

في التاسعة صباحًا، يسجل كاشف DarkSide-50 على عمق 1400 متر تحت جبل غران ساسو نبضة تأين ضعيفة. بحلول الحادية عشرة مساءً، ينخفض تواتر هذه الأحداث بشكل ملحوظ. هذا ليس عطلًا إلكترونيًا ولا تباينًا موسميًا في الخلفية. كل يوم، يتغير تدفق المادة المظلمة الذي يصل إلى الكاشف بمقدار الضعف تقريبًا في السعة.

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.

لطالما كانت المطيافية وسيلة لسماع ما لا يُسمع. في القرن التاسع عشر، فك يوهان بالمر شيفرة خطوط الهيدروجين المتناغمة - تناغم عددي بسيط مهّد لنظرية الكم.

بدأت القصة بحيرة: في ثلاثينيات القرن العشرين، لاحظ فريتز زفيكي أن عناقيد المجرات تتصرف وكأنها تخفي كتلة هائلة غير مرئية. وبعد نصف قرن، أكدت فيرا روبين ذلك — فالنجوم عند أطراف المجرات تدور بسرعة أكبر من أن تمسكها المادة المرئية وحدها. هكذا وُلد لغز المادة المظلمة — الهيكل الخفي للكون.

بدأت القصة قبل قرن تقريباً، عندما أظهر إدوين هابل أن المجرات تتباعد، ثم أدرك فريتز زويكي وفيرا روبين لاحقاً: لتفسير حركاتها، لا بد من وجود كتلة غير مرئية — المادة المظلمة.

في ظهيرة قائظة، يخيّم الخمول على المدينة، ولا تلوح في الأفق أي غيمة. عادةً في مثل هذا الطقس، لا يبقى سوى الانتظار حتى ترحم الطبيعة وترسل البرودة. ماذا لو أمكن تشغيل الظل والمطر وفق جدول زمني، مثلما نشغّل الضوء في الغرفة؟ تقترح مجموعة من الباحثين أداة غير معتادة لمثل هذا «الزر الجوي» — مسرّع بروتونات محمولًا جوًا.

المادة المظلمة غير مرئية، لكن جاذبيتها تتحكم في حركة المجرات. مما تتكون؟ لغز. إحدى الأفكار: إنها جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. في الظروف العادية لا تظهر نفسها تقريبًا، لكن في محيط الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن تتحلل إلى فوتونين — مثل عود ثقاب لا يشتعل إلا بلهب مشتعل بالفعل.

الإلكترون الذي يطير عبر الغاز يشبه سباحًا يحاول عبور حوض سباحة مزدحم. كل تصادم مع ذرة يغير مساره وسرعته. في الأرجون الكثيف، تكون هذه التصادمات كثيرة جدًا لدرجة أن الوصف البسيط يتوقف عن العمل. قام الفيزيائيون بقياس حركية الإلكترونات — أي مدى سهولة انجرافها تحت تأثير مجال كهربائي. وتباينت كثافة الغاز ودرجة الحرارة وقوة المجال.

في أعماق منجم كندي، يوجد برميل يحتوي على 3269 كيلوغرامًا من الأرجون السائل، وهو سائل شفاف يشبه الماء شديد البرودة. هذا البرميل هو كاشف DEAP-3600، ومهمته اصطياد جسيمات المادة المظلمة التي يُعتقد أنها تخترق الكون بأكمله، لكنها بالكاد تتفاعل مع المادة العادية. خلال 790.8 يومًا من المراقبة، لم يسجل الكاشف أي إشارة مقنعة من المادة المظلمة.

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.

في جبال الألب السويسرية يوجد عمود رأسي عميق يمتد 800 متر تحت الأرض — أي ما يعادل ناطحتي سحاب موضوعتين فوق بعضهما البعض. وبجانبه يمر نفق للسكك الحديدية، تمر فيه القطارات يوميًا محدثةً ضجيجًا. لكن داخل العمود يسود هدوء تام، كهدوء مكتبة في منتصف الليل. أحضر العلماء إلى هناك أجهزة استشعار حساسة، وعلى مدى شهر كامل استمعوا إلى ارتجاف الأرض وما يحدث للحقول الكهربائية.

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 غرفة مظلمة داخل الكاشف، ينتظر الأرجون. عندما يمر عبره جسيم غير مرئي — مثل مرشح محتمل للمادة المظلمة — يدفع نواة الأرجون بدفعة خفيفة. تتحرك النواة من مكانها، وتتولد حولها شحنات. وكمية هذه الشحنات ليست سؤالًا عابرًا: فبعددها يحكم الفيزيائيون على نوع الزائر الذي مرّ. منشأة ReD هي خزان من الأرجون السائل، أُدخلت إليه نيوترونات من مصدر كاليفورنيوم. تصطدم النيوترونات بنوى الأرجون كما تصطدم كرة البلياردو بأخرى.

كاشف MicroBooNE هو خزان كبير من الأرجون السائل يلتقط الجسيمات التي تمر عبره. عندما يمر جسيم، يترك أثرًا من الشحنة وومضة ضوء. تتراكم هذه الآثار لتكوين صورة ثلاثية الأبعاد للحدث، وكأن الجسيم يرسم مساره في مكعب شفاف. لكن هذه الأحداث كثيرة جدًا: في كل ثانية تمر مئات الميونات الكونية عبر الكاشف. تسجيل كل شيء يعني الغرق في البيانات.

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.

المادة المظلمة غير مرئية، لكن يمكن الإمساك بها من خلال ارتدادها. الهيدروجين المدمج في غشاء كربوني يعمل مثل كرة بلياردو: عندما يصطدم به جسيم من المادة المظلمة، ينطلق البروتون إلى الخارج. هذا الانطلاق هو الإشارة المنشودة. يقترح أصحاب الفكرة تغطية الكاشف بالكربون المهدرج — وهي مادة يُتقن تصنيعها على شكل طبقات رقيقة.

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 منجم على عمق كيلومترين، تحت طبقات الصخور الكندية، يوجد برميل يحتوي على ثلاثة أطنان من الأرجون السائل. الأرجون مبرد إلى مئة وست وثمانين درجة تحت الصفر، وهو شفاف مثل الماء. هذا البرميل هو مصيدة لجسيمات المادة المظلمة، التي يعتقد العلماء أنها تمر عبرنا كل ثانية، لكنها نادراً ما تصطدم بالمادة العادية. لكي تعمل المصيدة بدقة، يجب ضبطها.

المادة المظلمة هي مادة غامضة تزيد كتلتها خمس مرات عن المادة العادية، لكنها لا تصدر ولا تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي. ولا يزال طبيعتها أحد أكبر الألغاز غير المحلولة في الفيزياء. ومن بين المرشحين لجسيمات المادة المظلمة نجد الأكسيونات، وهي جسيمات فائقة الخفة قادرة على اختراق كوكب بأكمله دون أن تتفاعل تقريبًا مع الذرات.

في مركز العديد من المجرات يختبئ ثقب أسود — جسم تنبأت به حلول معادلات كارل شفارتسشيلد. حوله تمتد هالة محمّاة — منطقة من البلازما المتخلخلة المسخّنة إلى مليارات الدرجات. قياسًا على الهالة الشمسية، لكنها أكثر حرارة وكثافة بشكل لا يُقاس، وهي بمثابة مسرّع طبيعي للجسيمات.

في غرفة مظلمة، يوجد خزان مليء بالأرغون السائل. أحيانًا يمر عبره جسيم غير مرئي، يصطدم بنواة ذرة، فيتوهج وميض خافت في السائل. من خلال هذا الوميض يحاول الفيزيائيون فهم من هو هذا الزائر. ربما هو جسيم من المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة التي تشكل معظم كتلة الكون، لكن لم يرها أحد قط. كاشف DarkSide-50 هو مثل هذا الخزان، لكنه صغير: يحتوي على 46 كيلوغرامًا فقط من الأرغون.

عملت ثلاثة فروع من الفيزياء — علم الكون وفيزياء الجسيمات والفيزياء النووية — لقرون كشواطئ منعزلة. على أحدها، يفك العلماء أسرار التجمعات النجمية ونشأة الكون، وعلى الآخر يختبرون القواعد الأساسية للعالم الميكروي، وعلى الثالث يدرسون نواة الذرة. لكل منها لغته وأساليبه.