نكهة نيوترينو

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.

في مركز نجم يحتضر، عندما ينضغط نواته إلى كرة نيوترونية، تولد عاصفة غير مرئية. تريليونات من النيوترينوات — جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة — تندفع في البلازما شديدة الحرارة. وهي كثيرة جدًا لدرجة أنها تبدأ في التأثير على بعضها البعض، مغيرًة "نكهاتها" (الأنواع: إلكتروني، ميوني، تاو-نيوترينو) مثل الحرباء.

عالياً في الجبال، حيث الهواء نقي وهادئ، يستعد الفيزيائيون لاصطياد ضيوفٍ خفيّين من الفضاء — النيوترينوات. هذه الجسيمات، مثل الأشباح، تخترق الأرض دون أن تترك أثراً يذكر. لكن أحياناً يصطدم نيوترينو بذرة، مولّداً وابلاً من الجسيمات يمكن رؤيته. النيوترينوات ثلاثة أنواع (نكهات): إلكترونية، وميونية، وتاو-نيوترينو.

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'.

الطفل الساخن والبالغ البارد – نفس النجم النيوتروني يبدو مختلفًا. فبمجرد ولادته في انفجار مستعر أعظم، يكون محمىً إلى عشرات المليارات من الدرجات. ولكن مع مرور الوقت، يبرد وينكمش مثل المعدن المبرد. بالنسبة للنجم PSR J1012+5307، يعني هذا الانتقال انكماش نصف قطره إلى النصف تقريبًا.

في أعماق النجم النيوتروني — بقايا نجم منفجر — تكون المادة مضغوطة لدرجة أن ملعقة صغيرة تزن مليارات الأطنان. ربما تعمل بين هذه المادة فائقة الكثافة قوة خاصة لا تمس إلا نيوترينوات الميون والتاو. هذه القوة تنبأت بها بعض الامتدادات النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

في أعماق الأرض، داخل طبقات الجرانيت، تلتقط الكواشف ضيوفًا نادرين قادمين من الفضاء — الميونات. تولد هذه الجسيمات عاليًا في الغلاف الجوي عندما تصطدم الأشعة الكونية بأنوية الهواء. تساعدها سرعة هائلة قريبة من سرعة الضوء على الوصول إلى المختبر تحت الأرض.

الكون لا يتمدد فحسب — بل يُصدر صوتًا. بعد الانفجار العظيم بقيت في نسيجه أوتار مشدودة — رقيقة كالبروتون، لكنها ثقيلة كالسلسلة الجبلية. اهتزازاتها تولّد موجات ثقالية، وفي هذا الإشعاع، كما في التدوينة الموسيقية، تتشفّر قصة التناظرات الأساسية.

في أعماق نجم نيوتروني هائل، حيث تزن ملعقة صغيرة من المادة وزن جبل، تنضغط الكواركات إلى مسافات لا تُصدق. قبل اكتشاف هذه الأجرام بزمن طويل، حسب سوبرامانيان تشاندراسيخار حد الأقزام البيضاء، وتنبأ فريتز زفيكي بجرأة أن المستعرات العظمى تُخلف وراءها كتلًا من النيوترونات.

لقرابة قرن، يراقب علماء الفلك كيف تدور المجرات وكأن كتلة غير مرئية تمسك بها. أول من لاحظ ذلك كان فريتز زويكي أثناء دراسته حركة المجرات في عنقود كوما، بينما قامت فيرا روبين بقياس دقيق لسرعات النجوم في أطراف المجرات الحلزونية، فاكتشفت أنها تظل مرتفعة ولا تنخفض كما كانت المادة المرئية تتنبأ.

مترجم في مفاوضات مهمة يتحول فجأة إلى لغة أخرى، فيتغير المعنى كليًا. هذا ما تفعله النيوترينوات في أعماق نجم يحتضر. تولد هذه الجسيمات الخفية بأعداد هائلة عندما ينضغط قلب النجم إلى كتلة بحجم مدينة. لكن في طريقها إلى الخارج، قد تغير النيوترينوات نوعها — يسمي الفيزيائيون هذا بتحول النكهة (flavor). ومن كيفية تحولها يعتمد ما إذا كان النجم سينفجر أم ينهار بصمت إلى ثقب أسود.

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).

سرعة الضوء في الفراغ هي إيقاع الفيزياء: تضبط نسق جميع العمليات. إذا اختل هذا الإيقاع، ينهار الانسجام المألوف. والنيوترينوات — تلك الجسيمات المنتشرة في الكون لكنها شبه خفية — قادرة على اختبار ما إذا كان هذا الإيقاع يضطرب في الظروف القاسية. ستصطاد كواشف المستقبل GRAND و POEMMA أعلى طاقات النيوترينو، حيث يظهر أي انحراف بشكل أوضح.

تاو-ليبتون هو قريب ثقيل للإلكترون، يعيش أقل من تريليون جزء من الثانية. عادةً ما يتحلل إلى جسيمات أخف، لكنه لا يتحلل أبدًا إلى ثلاثة ميونات دفعة واحدة: هذا الانتقال محظور بالقوانين المعروفة لفيزياء الجسيمات. إذا حدث، لكان ذلك يعني أن قوى غير معروفة تعمل في الطبيعة.

الميون (muon) يشبه الإلكترون، لكنه أثقل منه بحوالي 200 مرة. عندما يتوقف داخل قطعة من السيليكون، ينجذب إلى النواة الذرية كما ينجذب المسمار إلى المغناطيس. تكتسب النواة طاقة إضافية وتبدأ في "الغليان": فتنبعث منها جسيمات مختلفة — بروتونات وديوترونات وتريتونات وجسيمات ألفا. يشبه ذلك قدرًا من الماء المغلي تتصاعد منه فقاعات البخار، لكن بدل البخار، تكون الشظايا النووية.

النيوترينوات هي أكثر الجسيمات المعروفة صعوبة في الإمساك. كل ثانية، تمر تريليونات النيوترينوات القادمة من الشمس عبر جسمك، لكنك لا تلاحظ ذلك: فهي بالكاد تتفاعل مع المادة. لالتقاط ولو واحد منها، يبني الفيزيائيون كواشف ضخمة — أحواضًا من الماء أو الأرجون السائل في أعماق الأرض. عندما يصطدم نيوترينو بنواة ذرة، فإنه يقتلع منها جسيمًا، ومن أثر هذا الجسيم يمكن فهم ما حدث.

بعد أن تنبأ بها فولفغانغ باولي وأطلق عليها إنريكو فيرمي اسمها، تُعد النيوترينوات جسيمات شبه مستعصية على الرصد. داخل النجوم العملاقة المحتضرة المعروفة بـالمستعرات العظمى وعند اندماج النجوم النيوترونية، تولد أعداد هائلة منها. لكل جسيم منها نكهة يمكن أن تتغير.

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).