تلسكوب نيوترينو

يأتي مترجم إلى اجتماع يُتحدث فيه بلغة لا يعرفها. في البداية، يضطر إلى الاستماع إلى كل كلمة، وتدوينها حرفيًا، ثم مقارنتها بالأصل. هكذا تعمل محاكيات تلسكوب النيوترينو آيس كيوب: فهي تتبع كل فوتون يولد في الجليد القطبي الجنوبي، ويقطع مئات الأمتار، ويصطدم بمستشعر.

التوهج الأزرق في الماء حول المفاعل النووي هو ضوء يُولَد عندما يتجاوز جسيم مشحون سرعة الضوء في ذلك الوسط. اكتشف هذا التأثير بافيل شيرينكوف عام 1934، وقدم النظرية إيغور تام وإيليا فرانك. منذ ذلك الحين، أصبح إشعاع شيرينكوف أداة عمل: من كواشف الجسيمات إلى الفيزياء الفلكية.

في يوليو 1969، بينما كانت مركبة «أبولو-11» متجهة إلى القمر، لاحظ رواد الفضاء شيئًا غير معتاد: ومضات ضوئية قصيرة تظهر حتى وأعينهم مغلقة. في البداية، عُزي الأمر إلى الإرهاق، لكن الومضات تكررت مع أطقم مختلفة. تدريجيًا، اتضح أن السبب هو الأشعة الكونية — تيار من الجسيمات المشحونة التي تندفع عبر الفضاء بسرعات هائلة. تمر هذه الجسيمات عبر المركبة، وعبر الجفون، وتصل إلى العين.

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.

قياس المسافات في الكون ليس بالمهمة السهلة. فجميع الطرق تقريبًا تعتمد على الضوء، وهو قد يتعرض للامتصاص أو التشتت أو التشويه أثناء رحلته إلينا. الأمر أشبه بمحاولة رؤية منارة بعيدة عبر الضباب والدخان. أما النيوترينوات فقصة مختلفة تمامًا. هذه الجسيمات الشبحية، التي لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، تخترق أي شيء دون أن تعترضها العوائق.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون عبارة عن "حساء" حارق من الجسيمات الأولية. ومع برودته، حدثت تحولات طورية في هذا المرق البدائي، تمامًا كما يتجمد الماء إلى جليد عندما تنخفض درجة الحرارة.

نيوترينوات الشمس — جسيمات متناهية الصغر تولد في أعماق الشمس كل ثانية بمعدل تريليونات. تمر عبر الأرض دون أن تكاد تلاحظها، وظلت تُعتبر لفترة طويلة مستقرة تمامًا. لكن ربما هي أيضًا قادرة على «الشيخوخة» — أي تضمحل بشكل غير ملحوظ، وتختفي في طريقها إلينا. قرر فيزيائيون يعملون مع كواشف المادة المظلمة اختبار هذا الاحتمال.

في الحلقة التي يبلغ طولها 21 كيلومترًا في بروتفينو قرب موسكو، كان يُخطط يومًا لتسريع البروتونات. اليوم، يمكن لهذا النفق نفسه أن يستضيف آلة مختلفة تمامًا — مصادم ميوني. الميون هو قريب ثقيل للإلكترون، وهنا تكمن قوته. الإلكترون عند منعطف الحلقة يُصدر إشعاعًا كالكشاف الضوئي، فاقدًا طاقته الثمينة. أما الميون فيُصدر إشعاعًا أضعف بمليار مرة.

اليد الخفية لـ المادة المظلمة تضغط المجرات في أحضان الجاذبية، لكن طبيعتها تظل مراوغة منذ قرابة قرن. كان فريتز زفيكي قد اشتبه بوجود كتلة مخفية في العناقيد، وأظهرت فيرا روبين أن النجوم عند الأطراف تدور بسرعة كبيرة - وكأن قائد أوركسترا خفي يدفعها.

في أعماق المحيط، حيث لا يصل الضوء، تولد خطة لاصطياد جسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع أي شيء. الجيوتريونات (geoneutrinos) — رسل صغيرة من الوشاح الملتهب — تنطلق عند تحلل اليورانيوم والثوريوم. تدفقها يحمل معلومات عن كمية الحرارة المخبأة تحت أقدامنا. تعاني الكاشفات الأرضية من خلفية قوية: إشارة القشرة تطغى على صوت الوشاح الخافت.

كاشفات المادة المظلمة هي في جوهرها ميكروفونات شديدة الحساسية، قادرة على التقاط همس وسط ضجيج حفل صاخب. مهمتها هي رصد الارتطامات النادرة من الجسيمات الافتراضية للمادة المظلمة، التي يُعتقد أنها تصطدم أحيانًا بنوى المادة العادية. ومع ذلك، في دراسة جديدة، أعاد العلماء ضبط هذه الميكروفونات على "صوت" مختلف — وهو "حفيف" ضعيف للنيوترينوات الشمسية النيوترينوات.

عندما يموت نجم هائل، ينكمش قلبه، ويحدث انفجار مستعر أعظم. ويولد هذا الحدث الكارثي تيارات من الجسيمات، مثل تموجات من حجر ألقي في الماء. تصل النيوترينوات السريعة أولاً، وتخترق الأرض دون أن تتفاعل معها تقريباً. ثم، بعد تأخير بضع ساعات، تظهر جسيمات شبحية بشحنة صغيرة جداً.

صورة قديمة التُقطت في لحظة ولادة الكون، تحمل إلينا ضوءها منذ ما يقرب من 14 مليار سنة. هذه الصورة هي إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، صدى الانفجار العظيم المبرد. وهي تُظهر أدق التباينات التي نشأت منها المجرات لاحقًا.

بدأت القصة قبل قرن تقريباً، عندما أظهر إدوين هابل أن المجرات تتباعد، ثم أدرك فريتز زويكي وفيرا روبين لاحقاً: لتفسير حركاتها، لا بد من وجود كتلة غير مرئية — المادة المظلمة.

يسقط حجر في بركة ماء، فتنتشر دوائر على سطحها. هكذا ينتشر الضوء القادم من المجرات البعيدة في كل الاتجاهات — بهدوء وانتظام. لكن في مركز بعض المجرات لا يختبئ حجر، بل مدفع حقيقي: يطلق جسيمات بقوة هائلة. يطلق علماء الفلك على هذه الأجسام اسم HSP BL Lac. وهي نوى مجرّات نشطة، حيث يقوم الثقب الأسود فائق الضخامة بلفّ المادة في قرص ويقذف نفاثات ضيقة من البلازما موجهة نحونا تقريبًا.

سياج غير مرئي يعترض المضيق. لا يمكن التسلق فوقه أو الغوص تحته، فهو ليس مصنوعًا من الفولاذ بل من تيار من الجسيمات التي تخترق عمود الماء. هكذا يمكن وصف فكرة كشف الغواصات النووية عبر إشعاع مضادات النيوترينو. يعمل المفاعل النووي كمصباح لا ينطفئ، باعثًا مليارات من هذه الجسيمات كل ثانية. وهي بالكاد تتفاعل مع المادة، فتخترق هيكل الغواصة وكيلومترات من الماء بحرية.

النجم النيوتروني هو نواة ميتة لنجم ضخم، مضغوطة إلى حجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن مثل جبل. عبر هذه البيئة الكثيفة، تمر جسيمات المادة المظلمة بحرية تقريبًا، لكنها أحيانًا تصطدم بالنيوترونات وتعلق، مثل الرصاص الذي يغوص في الرمال. بعد أن تستقر في المركز، تطلق طاقة — فيسخن النجم قليلاً.

أجهزة الكشف التقليدية عن المادة المظلمة تشبه حارس مرمى كرة القدم الذي ينتظر تسديدة قوية بينما الكرة تتدحرج ببطء. فالجسيمات غير المرئية التي تملأ مجرتنا غالبًا ما تتحرك ببطء شديد بحيث لا تلتقطها أجهزة الاستشعار الحساسة.

إذا كانت نواة الذرة بمثابة عائلة، فإن منزل الهيليوم العادي يضم بروتونين ونيوترونين يتكاتفون بقوة. تخيل الآن أن أحد أفراد العائلة غريب الأطوار يحب التجول بعيدًا عن المنزل. هذا هو شكل هايبرتريتون بالضبط: في المركز زوج عادي (بروتون ونيوترون)، وحوله على مسافة كبيرة يتجول هايبرون — جسيم يحوي كواركًا غريبًا في داخله.

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).

في أعماق الأرض، تحت أقدامنا مباشرة، يحدث تحلل بطيء للعناصر المشعة. وينتج عن ذلك جسيمات صغيرة تُعرف بالجيولنيوترينوات. تمر هذه الجسيمات عبر القشرة الأرضية والوشاح واللب، دون أن تتفاعل تقريبًا مع أي شيء. لكن إذا تمكنا من التقاط حتى عدد قليل من هذه الجسيمات، يمكننا معرفة مما يتكون باطن الأرض بالضبط — كم يوجد فيه من البوتاسيوم أو اليورانيوم أو الثوريوم.

يشبه طيف أشعة غاما سياجًا من الأوتاد: كل خط هو طاقة دقيقة أطلقتها النواة عبر فوتون. لكن في بعض الأحيان تظهر في هذا السياج "أشباح" — خطوط ضعيفة منزاحة بنفس المقدار عن الخطوط الرئيسية. قد يعني هذا الإزاحة أن جزءًا من الطاقة ذهب لتوليد جسيم خفيف لا نستطيع رؤيته مباشرة بعد.

النيوترينوات — جسيمات أولية — تُلقب عن جدارة بـ«الأشباح»: فهي بالكاد تتفاعل مع المادة، مما يجعل اكتشافها مهمة بالغة الصعوبة. تنبأ بوجود النيوترينوات فولفغانغ باولي، وأطلق عليها إنريكو فيرمي هذا الاسم.

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.

تخيل كاشف المادة المظلمة وكأنه غرفة يحاول فيها الباحثون التقاط همسٍ خافت، لكن كل ما حولهم مليء بفرقعة الكهرباء الساكنة. هذا الفرقعة تصنعها ذرات الرادون — وهو غاز مشع يتسرب باستمرار من مواد البناء والهواء.

جسيمات كونية بطاقة تفوق بملايين المرات ما تستطيع مسرعات الأرض توليده، تصطدم بالغلاف الجوي وتُنتج وابلًا من الجسيمات الثانوية. يشع هذا الوابل موجاتٍ راديوية تلتقطها هوائيات على الأرض. لكن الإشارة ضعيفة: يطغى عليها ضجيج الراديو القادم من مجرتنا وضجيج أجهزة الاستقبال نفسها. تمييز مثل هذه الإشارة أشبه بسماع همسٍ في شارعٍ مزدحم. تعمل الشبكة العصبية كمترجمٍ يستمع في الوقت نفسه إلى نبرة الصوت ويفكك الكلمات.

الهيليوم في بالون الهواء هو الغاز الذي يجعله يرتفع. لكن قبل البالونات بزمن طويل، وُلد الهيليوم في الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم. كميته الدقيقة في الكون هي بمثابة بصمة إصبع: يمكننا من خلالها معرفة عدد أنواع النيوترينوات (الجسيمات الشبحية التي تخترق الجدران) الموجودة. وجد علماء الفلك طريقة لقياس هذه البصمة بدقة أكبر.

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.

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.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده النووي الحراري في نواته، يفقد قدرته على مقاومة جاذبيته وينهار بسرعة، مولّدًا وميض مستعر أعظم. وقبل لحظات من هذه الكارثة، تنطلق من النواة المنهارة نيوترينوات — جسيمات شبحية لا تكاد تتفاعل مع المادة.

أطلق عليها علماء الفلك اسم "النقاط الحمراء الصغيرة" — وهي مجرات بعيدة تختبئ في نوىها ثقوب سوداء فائقة الكتلة محاطة بغلاف كثيف من الهيدروجين . هذا "التغليف" ليس مجرد تمويه كوني، بل آلية تسريع طبيعية. الثقب الأسود، أثناء ابتلاعه المادة من قرص التراكم، يقذف جزءًا منها مرة أخرى على شكل نفاثات نسبية ضيقة.

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.

النيوترينوات الكونية هي جسيمات شبحية تعبر الأرض بحرية. التقط تلسكوب "آيس كيوب" في جليد القارة القطبية الجنوبية أحد هذه النيوترينوات، وتزامن مع وميض تحت أحمر. تبين أن هذا الوميض هو اللحظة التي كان فيها ثقب أسود يمزق نجمًا في مجرة بعيدة.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة تصل إلينا من أعماق المجرة. إذا رسمنا رسمًا بيانيًا يوضح عدد الجسيمات التي تصل عند كل طاقة، نجد الخط مستقيماً ثم ينخفض فجأة بشكل حاد. تسمى هذه الانحناءات "الركب" (knees). وهي تشير إلى أن مسرعًا للجسيمات في الفضاء بلغ حده الأقصى ولم يعد قادرًا على تسريعها أكثر.

عالياً فوق الأرض يحلّق قمر صناعي، وبداخله جهاز بحجم خزانة صغيرة. يلتقط جسيمات ظلت تندفع عبر المجرة لمليارات السنين حتى اصطدمت أخيرًا بالكاشف. تُسمى هذه الجسيمات بالأشعة الكونية، وهي تحمل إلينا أخبارًا عن انفجارات نجوم بعيدة. جهاز NUCLEON على القمر الصناعي «ريسورس-بي» ظل ستة أشهر يجمع هذه «الرسائل من الفضاء».