التصوير المقطعي بالميونات

القشرة الجليدية لتريتون تشبه بابًا مغلقًا على قبو تسمع خلفه صوت ماء يتلاطم. لا يمكننا فتحه، لكن يمكننا أن نضع آذاننا على الجدار ونصغي إلى صدى الخطوات: كيف يستجيب الحقل المغناطيسي لنبتون في جوف القمر، وكيف يرتجف الجليد من ضربات بعيدة. طوال هذا الوقت كنا نحاول فهم ما يختفي تحت السطح، والآن أصبح لدينا طريقة لا تقتصر على التخمين، بل على القياس.

أشعة غاما هي أكثر أشكال الضوء طاقة في الكون، وهي إشعاع كهرومغناطيسي بأطوال موجية قصيرة للغاية. لكن جزءًا منها، متوسط القوة، ظل غير مرئي لفترة طويلة: لم تستطع الأجهزة التقاطه، فبقيت فجوة في السماء. يسميها العلماء "فجوة الميغا إلكترون فولت"، نسبة إلى وحدة الطاقة التي تحملها هذه الأشعة، وهي الميغا إلكترون فولت.

الضوء الذي لم يصل إلى الكاميرا يترك أثره عليها. هكذا يعمل أسلوب التصوير الجديد: يُضاء الجسم بلون واحد، وتُلتقط الصورة من لون آخر. داخل البلورة، تمتزج موجات الضوء، وتنتقل المعلومات عن الأشعة غير المرئية إلى الشعاع المرئي. في التجربة، استُخدمت بلورة من ثيوجالات الفضة — وهي مادة بصرية غير خطية يمر عبرها شعاعان مختلفا اللون بزاوية. أحدهما هو الشعاع الذي يضيء العينة، والآخر هو الذي يصل إلى الكاميرا.

حاوية الشحن البحرية عبارة عن خزنة فولاذية بحجم غرفة، مملوءة بالبضائع. من الصعب اختراقها بالأشعة السينية: فالجدران السميكة والبضائع الكثيفة تضعف الأشعة. هنا تأتي الميونات للنجدة — وهي جسيمات أولية تولد عالياً في الغلاف الجوي عندما تصطدم الأشعة الكونية بأنوية الذرات، وتتساقط باستمرار على الأرض.

القمر كرة بلا هواء مكونة من فتات صخري كثيف يسمى الثرى القمري (regolith). عندما تصطدم به جسيمات سريعة من الفضاء، تولد في التربة ميونات — أقارب غير مستقرة للإلكترونات، لكنها أثقل منه بمئتي مرة. معظمها يتجه للأسفل وينطفئ في العمق. لكن تلك التي تقفز للأعلى في الفراغ تنجح في قطع عشرات الكيلومترات قبل أن تتحلل. وهذه هي التي يُقترح التقاطها.

في طبق بتري صغير — قطرة سائل بحجم رأس الدبوس. التصوير المقطعي العادي لن يلاحظها: الإشارة ضعيفة جدًا. لكن عند تقريب حساس صغير للمجال المغناطيسي من القطرة، يتغير المشهد. وضعت مجموعة من الباحثين مقياس مغناطيسية تجاريًا مضخوخًا بصريًا (جهاز يقرأ فيه الليزر اهتزازات الذرات في أبخرة معادن قلوية) بجوار العينة مباشرة. لا ملفات وسيطة — فقط تلامس مباشر.

في كل ثانية، تمر عبر جسم الإنسان حوالي مئة جسيم غير مرئي تُعرف بالميونات. تولد هذه الجسيمات عاليًا في السماء عندما تصطدم الأشعة الكونية بذرات الهواء، ثم تهطل كالمطر على الأرض. هذه الجسيمات شديدة الاختراق لدرجة أنها تستطيع عبور مبنى متعدد الطوابق، لكنها تنحرف قليلًا عند مواجهة مادة كثيفة، مثل الرصاص أو اليورانيوم.

عند الحاجة إلى فحص الدماغ من الداخل، عادةً ما يُوضع الشخص في أنبوب ضيق لجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي أو يُعرَّض لأشعة الكمبيوتر المقطعي. كلتا الطريقتين مكلفتان وضخمتان وغير متاحتين دائمًا. درس المهندسون بديلًا — وهو رادار يرسل نبضات راديوية ضعيفة ويلتقط انعكاساتها من طبقات الأنسجة المختلفة.

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.

عندما أضاءت النجوم الأولى، بدأ ضوءها فوق البنفسجي في نزع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين. تحول الكون من ضباب محايد إلى بلازما شفافة. هذه العملية — إعادة التأين الكوني — لم تكن منتظمة: بدأت ببطء، مثل نار تشتعل في حطب رطب، ثم تسارعت عندما يلتهم اللهب الوقود الجاف.

كل مجرة تسبح في سحابة غازية غير مرئية، مثل فاكهة في شراب. هذا الغاز هو بقايا مواد البناء التي تشكلت منها النجوم، ويتم تجديده باستمرار بكميات جديدة من الفضاء بين المجرات. يكاد يكون من المستحيل رؤيته مباشرة: فهو مخلخل جدًا وبارد. ولكن عندما يمر ضوء كوازار بعيد عبر مثل هذه السحابة، تمتص ذرات المعادن في الغاز جزءًا من الضوء عند أطوال موجية محددة.

نجمة ذهبية صغيرة تذوب تحت شعاع المجهر الإلكتروني، وتستدير أذرعها ببطء. في السابق، كان يمكن رؤية هذه العملية فقط من خلال لقطات ملتقطة بفواصل زمنية كبيرة، وكان الشعاع الماسح نفسه يغير العينة. الآن، يصور الباحثون فيلمًا مستمرًا: تميل العينة بسلاسة، وتجمع الخوارزمية من هذا التدفق صورة ثلاثية الأبعاد لأي لحظة زمنية. السر هو أن الميلان يتم دون توقف، وأن الكمبيوتر يتعلم من البيانات نفسها، دون تلميحات.

أثناء العاصفة الرعدية تعمل السماء كبطارية عملاقة: تتراكم الشحنة الكهربائية في السحابة، ويُفرّغها البرق. هذه الشحنة غير مرئية، لكن الجسيمات الكونية — الميونات التي تتساقط باستمرار على الأرض من الفضاء — تشعر بها. فعندما يمر الميون عبر سحابة مشحونة، يتسارع أو يتباطأ قليلًا، ومن هذه التغيرات يمكن استنتاج الجهد الكهربائي في السحابة.

في أعماق الأرض، داخل منجم ذهب سابق في أستراليا، يقع مختبر لا يكسر سكونه إلا ومضات ضوئية نادرة. هذه الومضات هي آثار جسيمات كونية تخترق مئات الأمتار من الصخور. ثماني ألواح بلاستيكية، تشبه صفائح مضيئة كبيرة، تلتقط هذه الجسيمات. كل لوح هو عبارة عن ومياض ضوئي، يومض عندما يمر عبره ميون — وهو قريب ثقيل للإلكترون.

في تصادمات النوى الثقيلة، تتولد كرة نار من آلاف الجسيمات. ومن بينها البيونات والكاونات، وهما نوعان من الجسيمات الخفيفة المتشابهة جدًا. لفهم ما يحدث في هذه الكرة النارية، يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة دقيقة بعدد الجسيمات المنطلقة من كل نوع.

عاصفة رعدية بعيدة، وعداد غايغر (Geiger counter) يزداد نقرة. هكذا تذكّرنا الأشعة الكونية — تيار من الجسيمات المشحونة القادمة من أعماق الفضاء — بوجودها. عندما تصطدم بالغلاف الجوي، تولّد زخات من جسيمات ثانوية، من بينها الميونات: أقارب الإلكترونات الأثقل، القادرة على الوصول إلى الأرض. التقاطها يعني رؤية كيف يتنفس الكون.

الضوء الكمومي ليس مجرد تدفق من الجسيمات، بل هو نمط معقد من المكان والزمان. يمكن للفوتون الواحد أن يتمدد أو ينضغط أو ينتشر في اتجاهات مختلفة. لكن رؤية هذا النمط كاملاً بكل تقوساته لم تكن ممكنة حتى الآن: فالكاشفات التقليدية تلتقط فقط أجزاءً منفردة من الصورة، كما لو كنت تنظر إلى شكل ثلاثي الأبعاد من خلال شق في السياج. لقد ابتكر الفيزيائيون طريقة لتجاوز هذا الشق.

تطفو إبرة المجهر النفقي فوق السطح على مسافة أصغر من قطر الذرة. عادةً ما تتحسس التضاريس، مثل إصبع يقرأ صفحة بطريقة برايل. الآن، تعلّمت الإبرة نفسها أن تسمع كيف يرتجف غشاء بحجم الظفر. في التجربة الجديدة، أصبحت إبرة المجهر بمثابة قوس الكمان وميكروفونًا في آن واحد. فهي تلامس الغشاء بمجال كهربائي خفيف وتجعله يهتز، ثم تلتقط تلك الاهتزازات.

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.