قياس كتلة النيوترينو

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.

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.

في مركز النجم النيوتروني، تكون المادة مضغوطة لدرجة أن ملعقة صغيرة تزن مليار طن. يبدو أنه لا يوجد مكان أفضل للبحث عن آثار الجاذبية الكمية (Quantum Gravity). لكن بين المختبر والمقياس الأساسي، هناك هوة مقدارها 10⁸⁰ مرة في الكثافة. ثلاثة أبواب تؤدي إلى هذه الغرفة.

في عام 1998، فاجأت النيوترينوات الفيزيائيين: الجسيم يغير نوعه أثناء الطيران. هذا ممكن فقط إذا كانت له كتلة. أصبح هذا الدليل المخبري الوحيد على فيزياء خارج النموذج القياسي. لكن كم تزن النيوترينوات بالضبط لا يزال لغزًا. التجارب المباشرة، مثل منشأة KATRIN العملاقة في ألمانيا، تقول: كتلة نيوترينو الإلكترون أقل من 0.45 إلكترون فولت.

علم الكونيات يشبه أوركسترا بدأت مجموعاتها المختلفة فجأة تعزف بشكل غير منسجم. قياسات معدل توسع الكون (ثابت هابل) في الكون المبكر والمتأخر تعطي أرقامًا مختلفة. كما تشير ملاحظات أخرى إلى كتلة "سالبة" للنيوترينوات النجوم النيوترونية — وهو أمر مستحيل فيزيائيًا.

ظل لغز المادة المضادة المفقودة يشغل الفيزياء منذ منتصف القرن العشرين. كان ينبغي لـ الانفجار العظيم أن ينتج كميات متساوية من المادة والمادة المضادة، لكن عالم اليوم يكاد يكون ماديًا بالكامل. يعجز النموذج المعياري عن تفسير عدم تناسق الباريونات هذا — مما يستدعي جسيمات وآليات جديدة خارجه.

النيوترينو هي أكثر الجسيمات كتلةً انتشارًا في الكون. تمر عبرنا تريليونات منها كل ثانية، لكنها لا تترك أثرًا تقريبًا. جاذبيتها الكلية، وإن كانت ضئيلة، قادرة على التأثير في حركة مجرات بأكملها. شخصان يتقاربان في شارع مزدحم؛ المارة غير المرئيين يغيرون سرعتهما. هكذا الحال مع أزواج المجرات: تلعب النيوترينو دور العابرة الخفية، فتُشوّه حركتها قليلًا.

قدرٌ يغلي فيه حساء من ثلاثة مكونات. يغيّر الطباخ النسب أثناء الطهي، ويُتابَع ذلك من خلال موقع نقطة على مقياس مثلثي. هكذا تقريبًا يتعامل الفيزيائيون مع النيوترينوات الصادرة عن انفجار مستعر أعظم. عندما ينضغط قلب النجم إلى كثافة هائلة، يتولد تيار من النيوترينوات — جسيمات خفيفة لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. وهي من ثلاثة أنواع، ويتغير تكوينها في الطريق من النجم إلى الكاشف.

الكون هو شبكة هائلة من المادة المظلمة غير المرئية والمجرات، تتمدد بفعل تمدد الفضاء. النيوترينوات – جسيمات شبه شبحية لا تكاد تمسك بالخيوط، لكن كتلتها الإجمالية تغير بمهارة شدّ الشبكة بأكملها. بدلاً من العقد المضيئة، درس العلماء الفراغات بين الخيوط.

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.

النيوترون — جسيم داخل النواة الذرية — يمكن أن يعيش في عالمين: عالمنا والعالم المرآوي. في العالم المرآوي يوجد نيوترون توأم خاص به، غير مرئي لأجهزتنا. إذا كان النيوترون العادي يقفز أحيانًا إلى العالم المرآوي ويعود، فإن جزءًا من النيوترونات في المصيدة يبدو وكأنه يذوب في الهواء.

في أحد أجنحة المستشفى تبلغ درجة الحرارة +40°C، وفي جناح آخر +10°C، وفي المتوسط نحصل على +25°C. إذا كانت درجة الحرارة تؤثر على شيء بشكل غير خطي — لنقل على سرعة تكاثر البكتيريا — فإن القيمة المتوسطة ستعطي توقعًا خاطئًا. تنشأ المشكلة نفسها عندما يصف علماء الكونيات الكون، حيث تتجمع المجرات في عناقيد، وبينها فراغات شاسعة.

مضاد البروتون هو توأم مرآة للبروتون: نفس الكتلة، لكن بشحنة سالبة. عندما يقترب من نواة الذرة، يمكن للجسيمات أن تفنى، متحولة إلى إشعاع. في تجربة PUMA في سيرن، يدرسون كيف تُلتقط مضادات البروتونات بواسطة النوى وتُشكل ذرات غريبة، تشبه الهيدروجين، لكن مع مضاد بروتون بدلاً من الإلكترون.

داخل النجم النيوتروني، تكون المادة مضغوطة بكثافة شديدة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته قد تزن بقدر جبل. ما يحدث للجسيمات في مثل هذه الظروف لا نراه مباشرة، لكن النجوم تخبرنا عن نفسها من خلال موجات الجاذبية والضوء عندما يندمج نجمان من هذا النوع. كل ملاحظة من هذا القبيل هي بمثابة بصمة إصبع تعتمد على كيفية تفاعل النيوترونات والبروتونات.

داخل النجم النيوتروني — البقايا المدمجة لنجم ضخم — تُضغط المادة إلى كثافات لا يمكن تصورها، حيث تندمج النوى الذرية في وسط نيوتروني متصل. في السابق، كان على الفيزيائيين الفلكيين التخمين حول كيفية ترتيب الأمور هناك، بمراجعة معادلات الحالة الممكنة — وهي علاقات رياضية تربط الضغط والكثافة في الأعماق.

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.

في مطياف ضخم في كارلسروه، يشبه برميلًا معدنيًا عملاقًا، تُصطاد جسيمات يكاد يستحيل الإمساك بها. النيوترينوات هي أشباح العالم الصغير: في كل ثانية، تمر تريليونات من هذه الجسيمات عبر جسمك دون أن تشعر بها. لكن لها كتلة، ويسعى العلماء إلى قياسها. لتحقيق ذلك، تستخدم تجربة KATRIN غاز التريتيوم المشع. عندما تضمحل ذرته، ينبعث إلكترون ونيوترينو.