اضمحلال النيوترينو

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.

النيوترون هو جسيم يستقر عادة في نواة الذرة ولا يختفي. لكن بعض النظريات تفترض أنه قد يتحول أحيانًا إلى توأم غير مرئي — جسيم افتراضي لا يمكن التقاطه بواسطة أجهزة الكشف العادية. إذا حدث هذا، فسيفسر ما تتكون منه المادة المظلمة — المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولكنها تمسك المجرات بجاذبيتها وتمنعها من التمزق.

في جليد القارة القطبية الجنوبية، يختبئ كاشف بحجم كيلومتر مكعب. إنه لا يلتقط الضوء، بل الجسيمات الشبحية — النيوترينوات، التي لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. لكن في بعض الأحيان، قد يلمع فيه وحش مختلف تمامًا: زوج من الميونات يولدان معًا وينطلقان في مروحة واسعة. هذا النمط لا يمكن أن ترسمه أي جسيمات معروفة من المادة العادية.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، مر الكون بتوسع سريع — التضخم الكوني. تمدد الفضاء أسرع من الضوء، وتحولت الاهتزازات الكمومية للفراغ إلى جسيمات حقيقية. هكذا ربما وُلدت المادة المظلمة — المادة غير المرئية التي تمنع المجرات من التمزق. درس مؤلفو العمل جسيمًا افتراضيًا — الفوتون المظلم.

الحجر الملقى في الماء يترك دوائر تنتشر. الموجة الثقالية هي تموّج مماثل، لكن في نسيج الزمكان. تُنتج، على سبيل المثال، عن اندماج ثقبين أسودين. في الفيزياء الكلاسيكية، هذا التموّج أبدي: بمجرد أن ينشأ، يطير عبر الكون دون أن يخمد. لكن الجاذبية تخضع للقوانين الكمومية. تتكون الموجة من حِزَم صغيرة تسمى الغرافيتونات (الجسيمات الحاملة للجاذبية).

بعد ثلاث دقائق من الانفجار العظيم، عزف الكون سمفونيته الأولى. كان ذلك الانفجار العظيم والتخليق النووي — تكوّن الأنوية الخفيفة، حيث كان كل عنصر يعزف نغمته الخاصة، وكان الإيقاع تحدده سرعة توسع الفضاء. الإيقاع القياسي الذي تنبأت به معادلات فريدمان كان يُبعد البروتونات والنيوترونات عن بعضها، ويمنعها من التكتل بسرعة كبيرة.

في غرفة هادئة، يمكنك سماع أضعف همسة. وكذلك في ذرة الهيدروجين — الأخف بين جميع الذرات — يسهل ملاحظة ضيف غير مدعو. قد يكون هذا الضيف هو بوزون Z'، وهو جسيم وسيط لقوة جديدة تتنبأ به العديد من نظريات التوحيد. النموذج القياسي يحتوي بالفعل على وسيطه الخاص — بوزون Z.

ملعقة صغيرة ممتلئة — والميزان يشير إلى مليار طن. هذا تقريبًا وزن مادة النجم النيوتروني لو أمكننا غرفها ووزنها. تولد هذه الأجرام بعد انفجار مستعر أعظم: ينضغط لب النجم إلى كرة بقطر مدينة، وتصبح الكثافة أعلى من كثافة النواة الذرية. داخل هذه الكرة، تختفي الذرات المألوفة لدينا. تنضغط البروتونات والإلكترونات في بعضها البعض، مشكّلة سائلًا نيوترونيًا.

في عام 2021، رصد مرصد LHAASO كمات جاما بطاقة تزيد عن بيتا إلكترون فولت من مصادر مثل سديم السرطان — بقايا انفجار مستعر أعظم، في مركزه ينبض نجم نيوتروني. سافرت هذه الجسيمات آلاف السنين، ومجرد وصولها يشكك في ثبات ثبات لورنتز — المبدأ الذي ينص على أن سرعة الضوء في الفراغ مطلقة ومتساوية لجميع المراقبين.

الإلكترون وجسيمه المضاد — البوزيترون، الذي تنبأ بوجوده بول ديراك — عند لقائهما يشكلان لحظة وجيزة نظامًا مرتبطًا — البوزيترونيوم. وهو شبيه بالذرة، لكن بدون نواة: يدور الجسيمان حول مركز الكتلة المشترك قبل أن يفنيا.

ملعقة صغيرة من مادة النجم النيوتروني تزن مثل جبل. لكن قد يكون لهذا الجبل توأم غير مرئي. في أعماق النجم النيوتروني، تُضغط المادة العادية إلى كثافات لا يمكن تصورها. هناك، قد تذوب البروتونات والنيوترونات في حساء كواركي. بنى الفيزيائيون معادلة تصف الانتقال من المادة النووية إلى المادة الكواركية — مثل وصفة تحافظ على شكل كعكة الطبقات للنجم.

في الفيزياء النووية، ساد إعتقاد طويل بأن نيوترونين لا يمكن أن يشكلا حالة مرتبطة - فجاذبيتهما أضعف من أن تبقيهما معاً، فينفرطان فوراً. لكن على أسطح الأنوية الغنية بالنيوترونات، حيث تنخفض كثافة المادة إلى أجزاء من الألف من الكثافة النووية العادية، يتغير المشهد جذرياً. هنا يؤدي النيوترونان رقصة كوانتية لم تُرَ من قبل، ليشكلا ثنائياً متراصاً هو الداي نيوترون.

الكون طاهٍ عبقري، والانفجار العظيم هو وصفته المثالية. ارتفع الهيدروجين كأنه عجين هش، وذاب الهيليوم برقة الزبد، لكن الليثيوم-7 كما لو أنه أُفرط في تمليحه: النظرية تتوقع منه ثلاثة أضعاف ما يجده الفلكيون في أقدم النجوم. هذا الاختلال، 'مشكلة الليثيوم'، أفسد شهية علماء الكونيات لعقود.

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.

زنبرك مضغوط يظل ساكنًا لسنوات. يبدو أنه تجمد إلى الأبد، لكن داخل المعدن تترتب الذرات ببطء — وفي يوم من الأيام ينقر الزنبرك، منتقلًا إلى وضع جديد أكثر حرية. يبدو أن الفيزيائيين يفكرون في الفراغ بطريقة مماثلة: قد لا يكون فارغًا حقًا وثابتًا، بل مجرد حالة متجمدة مؤقتًا يمكن أن تتحول فجأة إلى حالة أخرى — بكثافة طاقة مختلفة. بنى مؤلفو الدراسة الجديدة عدة نماذج لمثل هذا الانتقال المتأخر.

نجمان نيوترونيان — بقايا نجوم ميتة، مضغوطة إلى حجم مدينة لكن بوزن يعادل الشمس — يدوران حول بعضهما البعض وفي النهاية يصطدمان. في تلك اللحظة يولد شيء بين ثقب أسود ومغناطيس فائق القوة: مجال أقوى بمليارات المرات من أقوى جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي.

بالفعل في ثلاثينيات القرن الماضي، لاحظ فريتز زفيكي أن سرعات المجرات في العناقيد أعلى بكثير مما تسمح به الكتلة المرئية. لاحقاً، أكدت فيرا روبين ذلك للمجرات الفردية. منذ ذلك الحين، قاد لغز «الكتلة المفقودة» إلى فرضية المادة المظلمة — مادة خفية تمنع البنى الكونية من التشتت.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون حساءً يغلي من الجسيمات الأولية. حتى النيوترينوات الخفيفة كانت آنذاك تتصادم بنشاط مع كل شيء حولها. لكن التوسع السريع برّد هذا الحساء، فتحررت النيوترينوات، وأصبحت شبه غير مبالية بالعالم المحيط.

إذا ضغطت حفنةً من الرمل في قبضة يدك، فستتماسك أولًا ثم تبدأ في المقاومة، إذ لا مجال للحبيبات للتحرك. في أعماق النجم النيوتروني يحدث شيء مشابه، لكن بدلًا من حبيبات الرمل لدينا جسيمات أولية، وبدلًا من اليد لدينا جاذبية هائلة.

تشبه النواة الذرية قطرة ذات غلاف رقيق — جلد نيوتروني. داخل القطرة، يتوزع البروتونات والنيوترونات بالتساوي، بينما يتجمع على السطح الخارجي، مثل رغوة الحليب، طبقة يكون فيها النيوترونات أكثر بشكل ملحوظ. سماكة هذه الرغوة — أجزاء من عُشر الفيمتومتر (أي أصغر بمليون مرة من حجم الذرة نفسها) — تختلف من نواة إلى أخرى وتعتمد على مدى قوة تنافر النيوترونات فيما بينها.

في الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم، أعدّ الكون مزيجًا من الهيدروجين والهيليوم وقليل من الليثيوم. لكن الوصفة أصابها خلل: فبحسب حسابات جورج غاموف ورالف ألفر وفريد هويل، يجب أن يكون الليثيوم أكثر بثلاث مرات مما يراه الفلكيون.

النجم النيوتروني هو نواة ميتة لنجم انفجر يومًا ما، مضغوطة إلى حجم مدينة. إذا كان هناك نجم عادي قريب، يقوم النجم النيوتروني بسحب المادة منه مثل المكنسة الكهربائية. تسقط هذه المادة على السطح وتشكل قشرة — طبقة صلبة من النوى الذرية الغنية بالنيوترونات. في هذه القشرة تحدث تحولات نووية: تتحلل بعض العناصر وتتحول إلى عناصر أخرى، وتصدر جسيمات تسمى النيوترينوات.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم منفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. في نواته، تُضغط المادة بكثافة هائلة لدرجة أن ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن مثل وزن جبل. عند هذه الكثافة، كما تتنبأ نظرية التفاعلات القوية، تظهر للجسيمات "توائم" — شركاء التكافؤ. الأمر يشبه أن يظهر فجأة لكل ساكن في المدينة توأم له نفس العادات، لكنه معكوس كصورة المرآة.

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.

في مصادم الهادرونات الكبير، لا تُصطدم البروتونات فحسب، بل أيضًا نوى الذرات كاملة. عند اصطدام نواتين بسرعة هائلة، ينشأ حجم ضئيل من مادة فائقة الحرارة — ساخنة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات فيها تذوب وتتحول إلى «حساء» من الكواركات والغلوونات. وعبر هذا الحساء، كما لو كان وسطًا كثيفًا، تشق الجسيمات السريعة طريقها.

يتوسع الكون بسرعة متزايدة، مثل عجينة الخميرة التي ترتفع في مطبخ دافئ. القوة الدافعة وراء هذا التوسع هي الطاقة المظلمة، والتي يمكننا في تشبيهنا أن نتصورها كسكر كوني يغذي العملية.

في ثلاثينيات القرن العشرين، أدرك فولفغانغ باولي أن توازن الطاقة في النجوم لا يستقيم دون جسيمات صغيرة شبحية. وهكذا دخلت النيوترينوات إلى الفيزياء — وهي كائنات عابرة بالكاد تتفاعل مع المادة، تخترق كل شيء حولنا. ولتفسير قدرتها على التحول إلى بعضها البعض (التذبذبات)، يجب أن تمتلك النيوترينوات كتلة غير صفرية.