كشف النيوترينو بالوميض

خلف مدار نبتون، يمتد محيط من الجزر الجليدية التي لم تتغير كثيرًا على مدى أربعة مليارات سنة. هذه الجزر، التي تسمى الأجسام الواقعة وراء نبتون، تحفظ وصفة نشأة الكواكب. حتى وقت قريب، لم يكن علماء الفلك يرون إلا الكبير منها، بينما ظلت الصغيرة، بحجم مدينة، غير مرئية. الآن، نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي في هذا الظلام أعمق من أي وقت مضى، وأعاد حساب حتى الجليد الذي يبلغ عشرة كيلومترات.

لم يرَ أحدٌ المادة المظلمة، لكنها يجب أن تمر عبر الكواشف كما يمر الريح بين أوراق الشجر. أحيانًا، نادرًا جدًا، يصطدم جسيم المادة المظلمة بنواة ذرة — وعندها يجب أن يلتقط الكاشف هذه الصدمة. المشكلة أن جسيمات المادة المظلمة الخفيفة بالكاد تستطيع تحريك النوى الثقيلة: الأمر أشبه بمحاولة إسقاط لعبة البولينج برمي زغب صغير عليها. نحتاج إلى هدف من نوى خفيفة يسهل هزّها.

17 مستعرًا أعظم من عينة ZTF DR2 اشتعلت قبل الموعد المتوقع. في الساعات والأيام الأولى بعد الانفجار، أصدرت ضوءًا أكثر مما تتنبأ به النماذج القياسية. يشبه علماء الفلك هذا بـ«الفتيل»: قبل أن يمزق الوميض المبهر السماء، يجري شعلة تمهيدية عبر الطبقات الخارجية. أكبر زيادة وصلت إلى 17% من التدفق الذروي — أي ما يعادل قدرًا نجميًا ظاهريًا قدره –17 تقريبًا.

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.

في أعماق النجم النيوتروني، تكون المادة مضغوطة بشدة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات المألوفة تفسح المجال للاعبين جدد. هناك تولد الهايبرونات (hyperons) — وهي جسيمات يعيش داخلها كوارك غريب. السؤال عن مقدار الطاقة اللازمة لإخراج مثل هذا الهايبرون من الوسط النووي ليس سؤالاً عابراً: فالإجابة عليه تحدد ما إذا كان النجم سيصمد أم ينهار ليتحول إلى ثقب أسود.

عندما يستنفد نجم هائل وقوده، ينهار قلبه مولّدًا مستعرًا أعظم ومرسلاً وابلاً نافذًا من النيوترينوات. في ثلاثينيات القرن العشرين، تنبأ فريتز زفيكي وفالتر بادي بولادة نجوم نيوترونية في مثل هذه الكوارث، بينما كشف هانز بيته عن عمليات الاندماج النووي…

وُضعت بلورة بحجم علبة كبريت تحت شعاع مسرّع سريري. غُطي نصف سطحها بنمط من نتوءات نانوية — متناهية الصغر، أصغر من طول موجة الضوء. أما النصف الآخر فتُرك أملس. كان الفرق مذهلاً: الجزء المغطى أصدر إشارة أكثر سطوعًا بمقدار 4.1 مرة. الومّاض النانوي الفوتوني زاد التباين بالنسبة للضوضاء بمقدار 3.7 مرة.

في مكان ما في الانتفاخ المجري، يتربص نجم ضخم خامل، على وشك استبدال احتراقه الهادئ بانهيار. يستنفذ لبّه وقوده، وفي جزء من الثانية يولد نجم نيوتروني أو ثقب أسود، قاذفًا 10⁵⁸ نيوترينو – أي معظم طاقة الانفجار تقريبًا.

شعاع مصباح يدوي موجه عبر زجاج مصنفر يتحول مع كل ملليمتر إضافي من السماكة إلى بقعة ضبابية. هذا هو تقريبًا سلوك الوميضات (scintillators) — المواد التي تحول أشعة إكس إلى ضوء مرئي. وهي أساس التصوير الطبي، وتفتيش الأمتعة، وكواشف المسرعات. وميض سميك يلتقط تقريبًا كل كمات الأشعة السينية (جسيمات الضوء)، لكن الضوء المتولد داخله يتشتت جانبًا، وتفقد التفاصيل الدقيقة في الصورة.

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.

قشرة النجم النيوتروني ليست مجرد غلاف صلب. تحت وطأة مليارات الأطنان على كل سنتيمتر مربع، تفقد الذرات إلكتروناتها، وتترتب النوى المتبقية في شبكة بلورية صلبة تشبه أقراص العسل، لكنها من مادة أكثر كثافة من الفولاذ بمقدار تريليون مرة. عندما تتشقق هذه الشبكة بسبب الإجهاد المتراكم، يولد توهج الماغنتار — وهو اندلاع قصير لكنه مبهر للأشعة السينية.

في أعماق جبل إيكينو الياباني، يوجد خزان يحتوي على خمسين ألف طن من أنقى المياه. فيه تُلتقط النيوترينوات — جسيمات شبحية تخترق الأرض من طرف إلى آخر دون أن تكاد تلاحظها. عندما ينفجر نجم في مجرتنا، تصل النيوترينوات أولاً، قبل الضوء بساعات. المستعر الأعظم يولّد وميضاً من النيوترينوات، وأصبح كاشف سوبر-كامينوكاندي قادراً على تحديد الجهة التي جاء منها بسرعة.

مصباح بعيد يضيء عبر زجاج غير مستوٍ. الزجاج يلوي الأشعة، فبدلًا من نقطة ضوء واحدة على الجدار تظهر عدة نقاط — بعضها أشد سطوعًا وبعضها أضعف. وبالمثل تقريبًا، تقوم مجرة ضخمة بلوي ضوء نجم منفجر. كان الانفجار واحدًا، لكن الصور أظهرت أربع نقاط مضيئة. لاحظ علماء الفلك النقطة الأولى بالصدفة: في بيانات تلسكوب ZTF ظهرت وميض أزرق بجوار مجرة بعيدة. ثم أظهر الطيف أن الضوء قطع أكثر من ثمانية مليارات سنة للوصول إلينا.

النيوترينوات هي جسيمات صغيرة تخترق سمك الكوكب كما يخترق الضوء زجاج النافذة. في كل ثانية، تمر مليارات من هذه الجسيمات عبر ظفر إصبعك الصغير، لكن التقاط حتى جسيم واحد منها ليس بالمهمة السهلة. لهذا الغرض، حُفر منجم في كندا بعمق كيلومترين ووُضع فيه كاشف SNO+. العمق ضروري للاختباء من الأشعة الكونية التي تسبب تشويشًا. يوجد في الكاشف كرة ضخمة مملوءة بسائل وميضي (scintillator).

داخل خيط البوليمر الرقيق للغاية توجد بلورات مجهرية — وميضيات. عندما تصطدم جسيمات مشعة غير مرئية، تومض للحظات مثل اليراعات. مستشعر حساس يلتقط كل ومضة من هذا القبيل، محولاً الخيط إلى كاشف مرن.

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 مكشاف النيوترينو المستقبلي ستكون هناك ملايين من المكعبات البلاستيكية الصغيرة، كل منها بحجم حجر النرد. تتوهج هذه المكعبات عندما يعبرها جسيم شبح، ويجب التقاط هذا التوهج وقياسه. لكن إذا كان المكعب معوجًا أو به نتوء أو ثقب في غير مكانه، فستتشوه الإشارة ويبدأ المكشاف في الكذب. فحص كل مكعب يدويًا يشبه غربلة الرمال على الشاطئ.

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.

كاشف المادة المظلمة يشبه ميكروفونًا شديد الحساسية يستمع إلى الصمت. يلتقط دفعات حرارية متناهية الصغر — فونونات (phonons) — تنشأ عندما تصطدم جسيم ببلورة الكاشف. لكن بدلًا من الصمت، تسمع الأجهزة ضجيجًا لسنوات: عدد كبير من الإشارات الضعيفة التي تقل عن بضع مئات من الإلكترون فولت.

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.

النيوترونات لا تترك أثرًا في الزجاج العادي — تمرّ من خلاله كما يمر الضوء عبر زجاج النافذة. لكن هناك مواد تومض بومضة خافتة عند لقاء الجسيمات. هكذا يعمل الوميض (scintillator) — مادة تحوّل الإشعاع غير المرئي إلى ضوء مرئي. الزجاج الشفاف الجديد SG101 هو من هذا القبيل. إنه حساس بشكل خاص للنيوترونات الحرارية — جسيمات بطيئة فقدت طاقتها وتتحرك بسرعة جزيئات الهواء في الغرفة.

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.

في قاعة مظلمة ضخمة، يبحثون عن شخص واحد لا يصدر أي صوت تقريبًا. هكذا يطارد الفيزيائيون النيوترينوات العقيمة (sterile neutrinos) — جسيمات شبحية تخترق المادة دون أن تترك أثرًا يذكر. في مركز المسرع الياباني J-PARC، يعمل جهاز JSNS². يختبر هذا الجهاز لغزًا قديمًا: في تسعينيات القرن الماضي، شاهدت التجربة الأمريكية LSND تلميحًا لنيوترينوات زائدة لم يكن من المفترض أن توجد.

قطعة من البلاستيك الكثيف بحجم عملة معدنية تومض عندما يصطدم بها جسيم غير مرئي. هكذا تعمل الومّاضات (scintillators) — مواد تحوّل الإشعاع إلى ضوء خافت. عادةً ما تُصنع من بلورات هشّة أو بوليمرات باهظة الثمن. لكن الآن ظهر خيار أبسط: البولي يوريثان العادي، الذي تُصنع منه إسفنجات الأثاث ونعال الأحذية.

في أعماق نجم يحتضر، أثقل من الشمس بثماني مرات، وقبل أيام قليلة من الانفجار النهائي، يبدأ حمّى صامتة. ينضغط قلب النجم ويسخن، وتنبعث منه نيوترينوات — جسيمات صغيرة لا تكاد تتفاعل مع المادة. هذا التدفق يشبه همسًا خافتًا قبل صرخة مدوية: المستعر الأعظم لم ينفجر بعد، لكنه يرسل إشارة عن موته الوشيك. على الأرض توجد كاشفات قادرة على التقاط هذا الهمس.

أصبح الرصاص القديم الذي ظل في قاع البحر ألفي عام قلب كاشف يبحث عن أكثر مادة مراوغة في الكون. فقد تمت زراعة بلورة شفافة من تنجستات الرصاص كتلتها 13 غرامًا وتبريدها إلى ما يقارب الصفر المطلق. هذا الرصاص قيّم لأنه على مر القرون اضمحلت فيه جميع الذرات غير المستقرة تقريبًا، فأصبح نقيًا للغاية، كماء عين جبلية.

عندما ينفجر نجم ضخم كمستعر أعظم المستعر الأعظم، تصطدم مادته بسرعة آلاف الكيلومترات في الثانية بالغلاف المحيط من الغبار الكوني والغاز — وكأنها تصطدم بمعطف غير مرئي يلف النجم. عند هذا التصادم، تضغط موجة الصدمة المادة وتُسخنها، مولدةً أعدادًا هائلة من النيوترينوات — جسيمات شبحية لا تكاد تتفاعل مع المادة.

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.

النيوترينوات جسيمات شبحية: تنبأ بها النموذج القياسي، وهي بالكاد تتفاعل مع المادة. اصطيادها يشبه سماع همسة في هدير شلال. كاشفات ARA وRNO-G المطمورة في جليد أنتاركتيكا وغرينلاند، تعمل كآذان تلتقط الومضات الراديوية التي تنطلق بـ سرعة الضوء في الجليد عند ارتطام الجسيم.

بعض المستعرات العظمى فائقة اللمعان المستعرات العظمى تُظهر بصمة أكسجين ساطعة في ضوئها وتتوسع بسرعة، بينما لا تفعل ذلك أخرى. بدا وكأنها ظواهر مختلفة. لكن المستعر الأعظم PTF12dam خرق القواعد: فمع تزايد السطوع، تغيرت بصمة الأكسجين، منتقلة من نوع إلى آخر.

كاشف موجات الجاذبية لا يلتقط فقط هدير الاندماجات، بل أيضًا التموج الهادئ عندما يغوص نجم أو سحابة غازية في ثقب أسود فائق الكتلة. مثل هذا الغطس، كسقوط حجر في بئر، يولّد موجات على جميع الترددات دفعة واحدة، وفي هذا الطيف تتشفّر طبيعة البئر نفسها. إذا كان في القاع، بدلًا من هاوية لا قاع لها، لوح عاكس، فإن الصدى سيعود بشكل مختلف.

كرة سيليكونية قطرها 166 نانومترًا تطفو في شعاع ليزر تحت الحمراء. الضغط أقل من 10⁻⁸ مليبار، ودرجة حرارة الحركة حوالي 10 ملي كلفن. هذا أبرد من إشعاع الخلفية الكونية. الكرة عبارة عن مقياس زلازل مجهري يلتقط الارتجاجات الكمية للجسيمات غير المرئية. كل اصطدام لجسيم المادة المظلمة ينقل زخمًا إلى الكرة. تهتز الكرة.