نيوترينو الميون

النجم النيوتروني هو بقايا فائقة الكثافة بعد انفجار نجم ضخم. المادة فيه مضغوطة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته قد تزن مليارات الأطنان. في هذه الظروف القاسية، يمكن للبروتونات والنيوترونات المألوفة أن تعيد ترتيب نفسها، منتجة جسيمات جديدة تُعرف بالهايبرونات.

نجم ضخم يستنفد وقوده — وينهار قلبه في أجزاء من الثانية. يولد مستعر أعظم، ومعه وابل قصير لكن قوي من النيوترينوات. هذه الجسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، لذا تنطلق بحرية حاملة معلومات عن الكارثة. لكن في رحلتها التي تمتد لآلاف السنين الضوئية، قد تتغير تحولاتها من نوع إلى آخر تحت تأثير مجال بعيد المدى جديد.

تشبه النيوترينوات راقصين غير مرئيين يغيرون أقنعتهم أثناء الطيران. الأنواع الثلاثة من هذه الجسيمات — نيوترينو الإلكترون، ونيوترينو الميون، ونيوترينو التاو — تتحول باستمرار إلى بعضها البعض. يوصف هذا الرقص بمصفوفة خلط معقدة، ويحاول الفيزيائيون منذ زمن طويل تفكيكها إلى حركات بسيطة. أعاد مؤلفو الدراسة الجديدة بناء أحد هذه التفكيكات — TM1 — باستخدام صياغة 'الدوران النكهي'.

عندما ينهار نجم عملاق على نفسه ليصبح مستعرًا أعظم، أو عندما يندمج كرتان نيوترونيتان في رقصة كونية، تحمل تريليونات من النيوترينوات طاقة الكارثة.

الإلكترون وقريبه الأثقل، الميون، يتصرفان كمغناطيسات صغيرة. عزومهما المغناطيسية بوحدات خاصة تتجاوز قليلاً الرقم 2، وهذا «الجزء الزائد» يسمى العزم المغناطيسي الشاذ. ينشأ من الغليان المستمر للفراغ الكمومي: أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة تظهر وتختفي للحظات، مما يخلق تموجات تساهم في المغناطيسية.

أنوية الذرات مغطاة بأغلفة رقيقة من الإلكترونات — في مثل هذه الأغلفة لا يمكن التحامها. لكن استبدل الغلاف الخفيف بآخر ثقيل: الميون، وهو جسيم من النموذج المعياري، يضغط السحابة الإلكترونية بحوالي 200 مرة.

في مسرع SuperKEKB تُصطدم الإلكترونات مع البوزيترونات، وبين الحطام تُعثر على بوزونات B. هذه الجسيمات الثقيلة لا تعمر طويلاً وتتفكك إلى جسيمات أخف. مؤخرًا، رصد كاشف Belle II عددًا مريبًا من الحالات التي يتحول فيها بوزون B إلى بوزون K (كاون) وشيء غير مرئي — بزيادة قدرها 2.7 سيغما عن المتوقع. الأمر أشبه بخباز يزن أرغفة الخبز ويجد في كل مرة زيادة 30 غرامًا عن المعتاد — قد يبدو الأمر تافهًا، لكنه منهجي.

مغناطيس بقطب واحد — شمالي، دون جنوبي. قسّمه إلى نصفين — وبدلاً من مغناطيسين عاديين، ستحصل على مغناطيسين أحاديي القطب. في عالمنا، لم تُعثر بعد على مثل هذه الجسيمات، رغم أن العديد من النظريات تتنبأ بوجودها. تُسمى هذه الأجسام الافتراضية الأقطاب المغناطيسية. لاحظ مؤلفو الدراسة صلة مثيرة للاهتمام.

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.

قطعة نقدية تُقذف باليد اليمنى تسقط دائمًا على الوجه، وباليد اليسرى على الكتابة. هذا تقريبًا سلوك جسيم لامدا-b: دورانه الداخلي (اللف المغزلي) مرتبط ارتباطًا وثيقًا بنوع جسيم D الذي سينتج عن الاضمحلال. هذا الارتباط هو تشابك كمومي، لكن ليس بين جسيمين مختلفين، بل بين خاصيتين لنفس الجسيم. درس الفيزيائيون اضمحلال Λb إلى Λ وميزونات D المحايدة (جسيمات تحتوي على كوارك ساحر).

الاندماج النووي الحراري — اندماج بروتون مع نواة البورون-11 — يبشر بمصدر طاقة شبه مثالي: بدون تدفق النيوترونات الخطرة، فقط تدفق جسيمات مشحونة يمكن تحويله مباشرة إلى تيار كهربائي. لكن هنا تبرز المشكلة الأساسية لحاجز كولوم.

وجّه فريقان من علماء الراديو تلسكوباتهم نحو سحابتين من الغاز: إحداهما في مركز درب التبانة مباشرة، والأخرى في أطرافه الهادئة. في كلتا السحابتين توجد جزيئات الميثانول — وهو كحول يعمل في الفضاء كبندول صغير: فهو يمتص ويصدر موجات راديوية بترددات محددة بدقة. تعتمد هذه الترددات على مدى ثقل البروتون مقارنةً بالإلكترون. إذا تغيّرت هذه النسبة ولو قليلاً، يبدأ البندول في الدق بشكل مختلف.

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 كل مرة يندمج فيها الديوتيريوم والتريتيوم داخل مفاعل الاندماج النووي، ينطلق نيوترون سريع. يمكن لهذا النيوترون أن يحول بعض المواد إلى أخرى، على سبيل المثال، إنتاج نظائر ثمينة للطب. اليوم، هذه النيوترونات باهظة الثمن بشكل خيالي، لأن عدد المنشآت التجريبية قليل وهي تعمل نادرًا.

إذا ألقيت حجرًا في بركة، ستنتشر دوائر على سطح الماء. في المغناطيسية也存在 موجات — لكن ما يهتز ليس جزيئات الماء، بل اتجاهات أسهم العزوم المغناطيسية للذرات. تُسمى هذه الموجات بالماغنونات (magnons)، ومن سلوكها يمكن فهم الكثير عن القوى غير المرئية بين الذرات. في التجربة الجديدة، تم تمرير شعاع من النيوترونات عبر بلورات Na₂IrO₃ — وهو مركب من الصوديوم والإيريديوم والأكسجين.

الكون مليء بـالمادة المظلمة غير المرئية، التي لا تكشف عن نفسها إلا من خلال الجاذبية. اشتبه في وجودها فريتز زفيكي، وأكدته فيرا روبين. لكن يبقى اللغز: من أي 'مكونات' تتكون، وبأي وصفات تختلط مع المادة العادية.

شمسنا الشمس هي أقوى مصدر طبيعي للنيوترينوات النيوترينو، وهي جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. أثناء مرورها عبر المادة الشمسية الكثيفة، تتعرض هذه الجسيمات لتذبذبات — تغير نوعها، أو كما يقول الفيزيائيون، «نكهتها» (نيوترينو إلكتروني، ميوني، تاو النيوترينو). تخيل صوتًا يمر عبر حشد من الناس: كلما كانت البيئة أكثر كثافة، كان تشوه الجرس الصوتي أقوى.

في ثلاثينيات القرن العشرين، لاحظ فريتز زفيكي أثناء مراقبته لعنقود الهلبة (كوما) سرعات عالية بشكل غير طبيعي للمجرات: حركتها أشارت إلى وجود كتلة خفية هائلة تربط النظام بفعل الجاذبية.

في عام 2016، سجّل كاشف LHCb في مصادم الهادرونات الكبير ملايين التصادمات بين البروتونات. بين حطام هذه التصادمات وُلدت ب-ميزونات محايدة، وهي جسيمات يمكنها تلقائيًا التحول إلى جسيماتها المضادة والعودة. لقياس هذا التحول، يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة هوية الجسيم عند لحظة الولادة: هل هو مادة أم مادة مضادة؟ تُعرف هذه المهمة بوسم النكهة (flavour tagging).

في مرق يغلي من الكون الوليد، كانت جميع الجسيمات تفقد تمييزها، كالخضروات في حرارة هائلة. استعادة تلك الوصفة البسيطة هي هدف الفيزياء الحديثة. نظرية SO(10) — وهي امتداد النموذج القياسي — تقدم هذه الوصفة. إنها توحد جميع القوى وتربط كتل أي جسيمات بصيغة واحدة. وقد صقل العلماء النموذج وحققوا دقة قياسية: تطابقت الكتل المحسوبة مع التجربة.