كشف النيوترينو بالأرغون السائل

في عمق الجبل، حيث تُخفت طبقات الصخر ميونات الأشعة الكونية، يقف كاشف يلتقط لا الضوء بل غيابه. البوزيترونيوم ذرّة صغيرة يدور فيها الإلكترون مع جسيمه المضاد، البوزيترون، حول بعضهما كما يفعل راقصان. عادةً يلتقيان ويتلاشيان في وميض من كمّين أو ثلاثة من كمّات غاما. لكن أحيانًا، كما يفترض المنظّرون، يُولد بدل الوميض شيء يحمل الطاقة معه دون أي أثر.

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.

تخيّل خطّ إنتاجٍ تندفع عبره 30 مليون طردٍ كل ثانية، وعلى المراقب أن يقرر فورًا ما بداخل كلٍّ منها: بضاعة ثمينة أم نفايات؟ في مصادم الهدرونات الكبير، هذا الخط هو مُشغِّل تجربة LHCb، الذي ينتقي الاضمحلالات النادرة للجسيمات من بين مليارات التصادمات. سابقًا، كان المراقب مجموعة قواعد بسيطة: إذا تجاوزت الإشارة عتبةً معينة، فالجسيم يشبه ميونًا أو إلكترونًا.

النيوترون المحبوس داخل النواة يتصرف بشكل مختلف عن حالته الحرة. سحابته الغلوونية، التي تربط الكواركات معًا، تنضغط مثل نابض تحت الحمل. في السابق كان هذا مجرد تخمين، لكن الفيزيائيين الآن شاهدوا هذا التأثير مباشرة لأول مرة. في مختبر جيفرسون، اصطدمت حزمة إلكترونات بالديوتيريوم السائل، مما أدى إلى قذف فوتونات من النوى.

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.

حوض ضخم مليء بسائل شفاف مخبأ في أعماق الأرض. لا يوجد فيه سوى «مرق» نقي للغاية يومض بضوء خافت عندما يمر عبره جسيم غير مرئي. هذا هو كاشف JUNO، 20 ألف طن من الومّاض السائل، المبني لاصطياد النيوترينوات. العدو الرئيسي لهذا الاصطياد ليس الظلام، بل الضوضاء الذاتية. فالسائل نفسه، وجدران الخزان، وحتى المسامير والحشوات قد «تشع» قليلًا — أي تُصدر جسيمات بسبب النشاط الإشعاعي الطبيعي.

تُمثّل التدفقات الغازية الهائلة الخارجة من أنوية المجرات النشطة مُنظّمًا رئيسيًا لـ تطور المجرات. فهي تكنس الوسط بين النجمي، وتُخمد تشكّل النجوم، وتتحكم في نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

حوض بماء نقي للغاية، تسقط فيه أحيانًا قطرات صغيرة شبه خفية. كل قطرة تترك تموجًا بالكاد يُلاحظ، ولتسجيله تحتاج إلى سنوات من الصبر. هكذا تبدو مطاردة نيوترينوات الشمس في كاشف DEAP-3600 — خزان ضخم من الأرجون السائل، مخبأ في أعماق الأرض. النيوترينوات هي أكثر الجسيمات المعروفة صعوبة في الالتقاط. تولد في أعماق الشمس، وتمر عبرنا بالمليارات كل ثانية، دون أن تتفاعل تقريبًا مع أي شيء.

يترك الضوء أثراً حتى عندما يكون شبه معدوم. الفوتون الواحد — كتلة صغيرة من الطاقة — يسقط على صفيحة سيليكون ويحرّر حفنة من الإلكترونات. المشكلة أن هذه الحفنة صغيرة جداً بحيث لا يمكن ملاحظتها. نحتاج إلى مضخم. عادةً، تُضخَّم الإشارة بتطبيق جهد كهربائي على تلامسات معدنية على سطح الكاشف.

في عام 1987، شاهد علماء الفلك وميض مستعر أعظم في مجرة مجاورة - سحابة ماجلان الكبرى. كانت هدية نادرة: حدث الانفجار قريبًا بما يكفي لالتقاط ليس فقط الضوء، بل أيضًا النيوترينوات (جسيمات شبه مراوغة تخترق الأرض بالكامل). منذ ذلك الحين، تُستخدم بيانات ذلك الانفجار كمرشّح: إذا كان بإمكان أي جسيم افتراضي أن يحمل طاقة زائدة من النجم المحتضر، فإن خصائصه تُقيَّد.

طيف المادة هو بصمتها. عادةً، للحصول عليه، توضع العينة في مجال مغناطيسي قوي، كما في جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي. لكن هناك طريقة للاستغناء عن المغناطيس تمامًا: تسجيل الإشارة الصادرة عن نوى الذرات عند مجال صفري. وحتى الآن، عانى هذا الأسلوب من حساسية ضعيفة، وكان من الصعب التنبؤ بأطيافه المعقدة.

جسيم ألفا هو نواة الهيليوم التي تنطلق عند اضمحلال الذرات الثقيلة. عندما يصطدم ببلورة نيتريد الغاليوم، يمنحها طاقته ويولد نبضة كهربائية. من ارتفاع النبضة يمكن معرفة مقدار الطاقة التي كانت لدى الجسيم. لكن في طريقه إلى المنطقة الحساسة، يفقد الجسيم جزءًا من قوته في ما يسمى الطبقة الميتة — وهي طبقة رقيقة غير فعالة قرب السطح.

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

الماء العادي في الكوب شفاف وهادئ. لكن إذا أضفت إليه نقاطاً كربونية صغيرة مصنوعة من السكر وحامض الستريك في ميكروويف عادي، يبدأ الماء بالتوهج عندما يمر عبره جسيم مشحون. النقاط الكربونية هي جسيمات كربون حجمها بضعة نانومترات، أصغر من الفيروس.

في خزانٍ مظلمٍ يتسع لثلاثين طنًا، يتوهج الماء عندما يعبره جسيمٌ شبحٌ. النيوترينو لا يتفاعل تقريبًا مع المادة، لكنه من حينٍ لآخر يصطدم بذرةٍ، وعندها يولد وميضٌ. لالتقاط هذا الوميض، يُضاف إلى الماء مادةٌ خاصة — وميضٌ سائل (liquid scintillator) — تعمل على تضخيم الضوء. الكاشفات التقليدية ترى إما نوعًا واحدًا من التوهج أو الآخر.

في منجم مظلم تحت جبال الألب الإيطالية، يوجد خزان يحوي ثلاثة أطنان من الزينون السائل. عندما يصطدم به جسيم، يقتلع من الذرات ومضات ضوئية خافتة وسُحُبًا من الإلكترونات. عبر هذه الآثار، يأمل الفيزيائيون في رؤية أندر اضمحلال: نواة الزينون-136 تتحول إلى باريوم-136، باعثةً إلكترونين وبدون أي نيوترينو.

جسيم شبح صغير يخترق قطعة من الجرمانيوم. عادةً لا يترك أي أثر، لكنه أحيانًا، مثل كرة البلياردو، يضرب نواة الذرة. ترتد النواة، ويمكن ملاحظة هذه الدفعة. في مختبر أوك ريدج الوطني، التقط كاشف Ge-Mini مثل هذه الارتدادات لمدة عامين. النيوترينوات هي أكثر الجسيمات المعروفة صعوبة في الإمساك بها. تمر مليارات منها عبرنا كل ثانية دون أن تصطدم بأي ذرة. لكن إذا وضعت جهازًا حساسًا جدًا، تصبح الاصطدامات النادرة مرئية.

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 غرفة مظلمة، حيث تبلغ درجة الحرارة أربع درجات فقط فوق الصفر المطلق، توجد بلورة ياقوت بحجم حبة أرز. عندما يمر عبرها نيوترينو — جسيم شبح لا يكاد يتفاعل مع المادة — تهتز البلورة وترتفع حرارتها بمقدار ضئيل جدًا من الدرجة. تلتقط أجهزة استشعار فائقة الحساسية عند حواف البلورة هذا الاستجابة الحرارية. لكن الجهاز لا يسمع النيوترينوات فقط.

الغاز في المجرة يتوهج مثل لوحة إعلانية نيون، ومن لون هذا التوهج يحدد علماء الفلك مدى سخونته. المنطق بسيط: كلما زادت العناصر الثقيلة في الغاز (التي يسميها علماء الفلك «معادن»)، كان تبريده أفضل. وبالتالي، يجب أن تكون درجة حرارة المجرات الغنية بالمعادن أقل. لكن الملاحظات الجديدة أظهرت العكس.

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 ورشة صهر المعادن الحارة، تتبخر أي قطعة ثلج في لحظة. لكن إذا خُبئت داخل قُفاز سميك، تبقى سليمة. خدعة مماثلة قامت بها الطبيعة في السديم الكوكبي NGC 6302. النجم المحتضر يغمر الفضاء المحيط بأشعة فوق بنفسجية قاتلة، ولكن داخل حلقة الغبار الكثيفة، رصد تلسكوب JWST شيئاً غير متوقع: جليد بلوري نقي من غاز ثاني أكسيد الكربون.

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.

البلورة الرقيقة من نيتريد البورون السداسي — قريبة من الجرافيت، لكنها شفافة وعازلة. في شبكتها البلورية توجد أحيانًا عيوب مفردة: ذرة بورون أو نيتروجين مفقودة، وفي مكانها تتشكل مصيدة للإلكترونات. هذه المصيدة قادرة على امتصاص الضوء وإعادة إصداره، مثل مصباح يدوي صغير.

في غرفة مظلمة، ينتظر الصياد حفيفًا بالكاد يُسمع. هكذا يستمع الفيزيائيون لسنوات إلى إشارات جسيمات المادة المظلمة — المادة غير المرئية التي تربط المجرات ببعضها لكنها لا تضيء. الكاشف الجديد يجعل هذا «السمع» أكثر حدة بمئة ألف مرة. داخل الجهاز يوجد غاز SF₆ (نفس الغاز الذي يخمد الشرارات في الشبكات الكهربائية). عندما يمر جسيم عبر الغاز، يطرد إلكترونات.

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.

في مركز المجرة NGC 4278 يوجد ثقب أسود يقذف نفاثتين من البلازما، وكأنه مدفع عملاق يطلق جسيمات في الفضاء. تعمل هذه النفاثات على تسريع الجسيمات إلى طاقات لم تحلم بها أي معجلات أرضية. مؤخرًا، رصد مرصد LHAASO إشعاعًا شديد الصلابة من هذه المجرة، وهو إشعاع ينشأ عندما تصطدم الجسيمات في النفاثة بشيء ما وتنقل طاقتها إلى الضوء.

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.

الكوازار هو ثقب أسود فائق الكتلة في مركز المجرة، يلتهم المادة ويضيء أشد من كل النجوم المحيطة به. جزء من الطاقة يتحول إلى إشعاع راديوي، ويُعتقد أنه قد يسخن الغاز البارد أو يقذفه خارج المجرة، وهذا الغاز هو المادة الخام لتكوين نجوم جديدة. قرر علماء الفلك اختبار كيفية ارتباط قوة الإشعاع الراديوي بمخزون هذا الغاز.

نبضة ليزر قصيرة تضرب الهواء — فتشتعل عند نقطة الاصطدام شرارة صغيرة تشبه البرق الخاطف. تعيش هذه الشرارة أطول مما يبدو: فالتوهج الساطع يظل مرئيًا لنصف ميلي ثانية، بينما يستمر التوهج الخافت قرابة عشرين ميلي ثانية. طوال هذا الوقت، تندفع الإلكترونات الحرة داخل البلازما، ولأول مرة تمكن العلماء من قياس عددها ودرجة حرارتها بدقة.

في خزان من الماء النقي، تترك الجسيمات التي تطير أسرع من الضوء في هذا الوسط ومضات زرقاء — مثل الطائرة التي تخترق حاجز الصوت فتُحدث دويًا. من خلال هذه الومضات يمكن معرفة أي ضيف مرّ: كمية غاما أو نيوترون. المهمة ليست تافهة: على الحدود وفي المستودعات، يجب التمييز بسرعة بين الشحنة المشعة غير الضارة والمواد الصالحة للأسلحة. أولاً، تعمل عتبة فيزيائية بسيطة.

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.

الإلكترونات في المعدن تشبه حشداً في مترو الأنفاق: كل واحد مستقل، لكن عند أدنى دفعة يتحرك الجميع دفعة واحدة. هذه التذبذبات الجماعية لغاز الإلكترونات يسميها الفيزيائيون بلازموناً. في الموصلات الفائقة، هذه التذبذبات مهمة بشكل خاص، لأنها تُظهر كيف تتفاعل الإلكترونات مع بعضها البعض. في النيكيلات — وهي موصلات فائقة مكتشفة حديثاً تعتمد على النيكل — لم يكن من الممكن رؤية البلازمونات حتى الآن.

في السحب الباردة المخلخلة في الفضاء، نادرًا ما تلتقي الجسيمات، لكن أحيانًا يمر أيون وجزيء متعادل قريبين بما يكفي ليلتصقا ببعضهما. عندها يبعثان ضوءًا — مثل ومضة خافتة تحمل الطاقة الزائدة. تُسمى هذه العملية بالارتباط الإشعاعي (radiative association)، وهي مسؤولة عن ظهور العديد من الجزيئات في الفضاء بين النجمي.

المادة المظلمة هي مادة غير مرئية تربط المجرات ببعضها لكنها لا تصدر ضوءًا. التقاط جسيماتها يشبه سماع همس في قاعة صاخبة. الكاشفات العادية لا تسمع إلا الضربات العالية، بينما تغرق الإشارات الضعيفة في الضوضاء. في الأرجون السائل، عندما يصطدم جسيم المادة المظلمة بنواة ذرة، يُحدث شرارة ضوئية وسحابة من الشحنات. لكن عند الارتطام الضعيف، تكون الشرارة خافتة بالكاد.

في السحب المظلمة والباردة في الفضاء، حيث تولد النجوم، تُغطى حبيبات الغبار بطبقة رقيقة من الجليد. هذا الجليد ليس مجرد ماء متجمد، بل خليط من جزيئات مختلفة: أول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والنيتروجين، وغيرها. لفترة طويلة، لم يتمكن علماء الفلك من العثور على أكسيد النيتروز (N2O) في هذا الجليد — وهو "غاز الضحك" الذي يُستخدم في الطب.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة. إنه يجذب الغاز والغبار نحوه، ويتشكل حوله قرص مضيء. لكن تلسكوب جيمس ويب نظر أبعد — إلى منطقة يضعف فيها ضوء الثقب الأسود، ومع ذلك يظل الغبار متوهجًا. رصد علماء الفلك ثماني مجرات. في أربع منها، امتد الغبار لمئات السنين الضوئية من المركز — مثل أكمام طويلة.

الماء الثقيل — وهو ذلك الماء الذي يحل فيه الديوتيريوم، وهو نظير أثقل للهيدروجين العادي، محل الهيدروجين — مررنا فيه تيارًا كهربائيًا. على الكاثود ترسب البلاديوم، وفي هذا الحوض الكهروكيميائي المتواضع لاحظت الكواشف مرارًا وتكرارًا شيئًا غير متوقع: آثار نيوترونات بطيئة. كانت الكواشف من نوعين.

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.