مسرع جسيمات

تصطدم نبضة ليزر بسحابة غازية وتقتلع منها إلكترونات، تاركةً خلفها فقاعة: تجويفًا يكاد يخلو من الجسيمات. تندفع هذه الفقاعة عبر البلازما بسرعة تقارب سرعة الضوء، وتسحب جدرانها الإلكترونات التي دخلت داخلها، كما يسحب الزورق السريع المتزلج المائي خلفه.

لمدة ثلاثة أيام متتالية، ضرب الليزر نفثًا من الغاز، وفي كل ثانية وُلدت حزمة إلكترونات بطاقة تعادل طاقة برق صغير. في السابق، كانت هذه الحزم لا تُنتَج إلا في قاعات ضخمة حيث يشغل المسرّع مبنى بأكمله. الآن، الجهاز بأكمله يتسع في غرفة واحدة وعمل دون انقطاع لمدة 72 ساعة. السر يكمن في أن نبضة الليزر تضغط في الغاز موجة — مثل قارب يترك خلفه أثرًا.

تنتشر حزمة الليزر العادية في خط مستقيم، تماماً مثل ضوء المصباح اليدوي. ومع ذلك، يمكن لفّ الضوء في شكل حلزوني يشبه خيط المِفكّة. وتحمل هذه الحزمة زخماً زاوياً مداريًا (OAM) – وهي خاصية لا يقتصر فيها الضوء على الإضاءة فحسب، بل يدير أيضاً كل ما يصادفه في طريقه. وقد وجّه الفيزيائيون هذا الضوء الملفوف إلى البلازما لتسريع الإلكترونات.

النجم النابض PSR J1740+1000 هو نجم نيوتروني بحجم مدينة، يدور أسرع من خلاط المطبخ. بعد انفجار المستعر الأعظم، بقيت منه نواة فائقة الكثافة تعمل على تسريع الجسيمات المشحونة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هذه الجسيمات تنطلق إلى الفضاء، وكان يُعتقد سابقًا أنها تتطاير في كل الاتجاهات مثل رذاذ حجر يُلقى في الماء.

للنظر أعمق في بنية الكون، يقوم الفيزيائيون بتسريع الإلكترونات وتصادمها مع بعضها البعض. يمتلك الإلكترون العادي زخمًا زاويًا ذاتيًا يسمى السبين، ويمكن تخيله كمحور دوران لقمة دوارة صغيرة. في الحزمة العادية، تكون هذه المحاور موجهة بشكل عشوائي. للتجارب الدقيقة، نحتاج إلى جسيمات ذات سبينات مرتبة — وتسمى هذه الحالة استقطابًا.

في مركز مجرة بعيدة، حيث يدور ثقب أسود فائق الكتلة بكتلة تعادل مئة مليون شمس، تخترق الفضاء مجالات مغناطيسية. وهي ملتفة في دوامات شديدة — مثل قمع في صدفة، لكن بدلاً من الماء هناك بلازما متسارعة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هنا تحديداً، على الموجات الصادمة، تولد جسيمات بطاقة لا يضاهيها أي مسرّع أرضي.

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.

في كوكبة العقاب، على بُعد نحو 40 ألف سنة ضوئية منا، يعمل أحد أقوى المسرّعات الطبيعية في المجرة. إنه الميكروكويزار GRS 1915+105، وهو زوج من نجم عادي وثقب أسود. يجذب الثقب الأسود مادة النجم إليه ويقذفها على شكل نفاثتين ضيقتين، تتسارعان إلى ما يقارب سرعة الضوء.

لأول مرة، تم تحويل ليزر مصنعي، يُستخدم في المصانع لقطع ولحام المعادن، إلى مسرّع جسيمات. أخذ الفيزيائيون ليزر إتيربيوم قياسيًا — قلبه بلورة بحجم كف اليد — وحوّلوا ومضاته إلى أداة لتسريع الإلكترونات حتى接近 سرعة الضوء. في السابق، كانت مثل هذه الحيلة تتطلب أنظمة ليزر فريدة بحجم غرفة كاملة، أما هنا فيكفي جهاز صناعي عادي.

الكون مليء بعدائين خفيين - جسيمات تسير بسرعة تقارب سرعة الضوء. تُرصَد في الرياح الشمسية، وبالقرب من النجوم النيوترونية، وحتى في الفراغ بين المجرات. لكن ما الذي يسرعها في أماكن لا توجد فيها موجات صدمية ولا اتصالات مغناطيسية؟ ربما يكمن الجواب في نفس الكون ذاته - في نبض البلازما المتكرر.

في ظهيرة قائظة، يخيّم الخمول على المدينة، ولا تلوح في الأفق أي غيمة. عادةً في مثل هذا الطقس، لا يبقى سوى الانتظار حتى ترحم الطبيعة وترسل البرودة. ماذا لو أمكن تشغيل الظل والمطر وفق جدول زمني، مثلما نشغّل الضوء في الغرفة؟ تقترح مجموعة من الباحثين أداة غير معتادة لمثل هذا «الزر الجوي» — مسرّع بروتونات محمولًا جوًا.

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.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الأولية هو الإطار النظري الذي يصف جميع الجسيمات الأساسية المعروفة وتفاعلاتها. ومع ذلك، فهو لا يفسر طبيعة المادة المظلمة، التي تشكل حوالي ربع كتلة-طاقة الكون. للبحث عن مظاهرها، لا نحتاج دائمًا إلى مسرعات عملاقة.

بالون ينتفخ من تلقاء نفسه، رغم أن أحدًا لا ينفخ فيه. هكذا تقريبًا يبدو التوسع المتسارع للكون — ولتفسيره، عادةً ما يُستدعى مفهوم الطاقة المظلمة، وهي قوة غير مرئية وغير مفهومة.

قرب الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، تغلي البلازما مثل الماء في غلاية. لكن في هذه «الغلاية» لا توجد جدران، فقط مجالات مغناطيسية تلتف وتتمزق. في أماكن التمزق تنشأ طبقات رقيقة حيث يعيد المجال المغناطيسي توصيل نفسه، وتحصل الجسيمات على دفعة، مثل راكب أمواج على موجة.

طريق دائري حول الشمس، لا تسير عليه السيارات بل كتل من المادة. قطر هذا الطريق سنوات ضوئية: إنه يحيط بنظامنا الكوكبي عند حدوده الخارجية، في سحابة أورت، حيث لا يزال جاذبية النجم محسوسًا بشكل ضعيف. هذا هو حجم الجهاز الذي تقترح مجموعة من الفيزيائيين بنائه لدراسة بوزون هيغز والبحث عن جسيمات جديدة.

يحبس الحاسوب الكمومي الذرات في مصائد ضوئية، مثل كرات في حفر صغيرة. لقراءة النتيجة، يجب تصوير كل ذرة وتحديد ما إذا كانت متوهجة أم لا. سابقًا، كان تحليل هذه الصور يستغرق وقتًا طويلًا لدرجة أن الحاسوب كان يظل خاملًا. الآن، صنع المهندسون لوحة خاصة تنظر إلى الصورة وتحدد مواقع الذرات فورًا.

ومضة ليزر مدتها 50 فيمتوثانية (femtosecond) تشبه طلقة تدوم جزءًا من مليار من الثانية. خلال هذا الزمن، يقطع الضوء 15 ميكرومترًا فقط — أقل من سمك شعرة الإنسان. لكن إذا مررت هذه الومضة عبر مضخم، فإنها تبدأ بالتمدد مثل شريط مطاطي وتفقد حدتها. وجد الفيزيائيون من مجموعة ياشا سوهل-ديكشتاين (رغم أنه معروف بأعمال أخرى) طريقة لتجاوز ذلك.

في أعماق كوكبة العقاب، يختبئ سديم يشبه فقاعة منتفخة. تنفخه نجمة صغيرة بحجم مدينة، وهي نجم نابض يدور عدة مرات في الثانية ويفقد طاقة دورانه. عادةً، تتوهج هذه الفقاعات بقدر قوة نجمها النابض. لكن هذه الفقاعة، التي أطلق عليها اسم «مسرّع العقاب»، أظهرت سطوعًا يفوق المتوقع. التقط تلسكوب LHAASO في جبال الصين أشعة غاما من هذا السديم بطاقة تتجاوز مئة تيرا إلكترون فولت.

مصادر الضوء السيني الحديثة تشبه أوركسترا بلا قائد: الإلكترونات في الحزمة تطير بشكل عشوائي، فيكون الإشعاع غير واضح. الفكرة الجديدة هي جعل الإلكترونات تصطف في صفوف منتظمة بمسافات تبلغ بضعة نانومترات. عندها يصبح الضوء المنبعث منها مترابطًا (coherent)، مثل شعاع الليزر. لتحقيق ذلك، يتم توجيه ليزرين ضعيفين إلى بلازما (غاز من الجسيمات المشحونة) بحيث يتقاطعان.

يضرب الليزر الهدف، وينطلق إلى الحجرة سحابة من البلازما مسرعة إلى مئات الكيلومترات في الثانية. حولها ليس فراغًا: الحجرة مليئة بغاز مخلخل يلعب دور الوسط الكوني. تصطدم البلازما بهذا الغاز مثل زورق سريع يصطدم بمياه راكدة، وتبدأ في دفعه أمامها. ولكن بدلاً من أن يتشتت ببساطة، يجمع التدفق بشكل غير متوقع جزءًا من الغاز في كتلة كثيفة تطير معه.

الجسيم المحاصر في مصيدة ضوئية يتصرف مثل كرة على زنبرك: ادفعها فتهتز. إذا ضغطت الزنبرك فجأة، تتجمد الكرة للحظة في أدنى نقطة لها، حيث يكون موضعها معروفًا بدقة أكبر. هذه اللحظة بالذات استغلها الفيزيائيون لتحويل الجسيم النانوي إلى مقياس تسارع فائق الحساسية.

في المسرعات العملاقة، تطير الجسيمات بسرعة تقارب سرعة الضوء وتتصادم وجهًا لوجه. لكن في بعض الأحيان تكون إحدى الحزم أكثر كثافة قليلاً من الأخرى — كما لو أن شخصًا ما وقف في الاتجاه الخاطئ على سلم كهربائي مزدحم. عندها تكون التصادمات غير متساوية، وتبدأ الأجهزة في "الوميض"، مما يخل بالقياسات. لمنع ذلك، يجب التحكم في كثافة الحزم بدقة شديدة. يقترح العلماء استخدام الليزر لهذا الغرض.

في المسرّع الحلقي، تندفع الجسيمات في مسار دائري، مثل السيارات في دوار. عادةً، عند حقن جسيمات جديدة، تشغل أماكن عشوائية في هذا الدوار — فتصبح الحزمة "متفككة". في تجربة جديدة على مسرّع SNS، طُبّقت طريقة eigenpainting: حُقنت الجسيمات بحيث تدخل فقط في "مسار واحد" — نمط اهتزاز واحد مرتبط بالحلقة. هذا يشبه إدخال السيارات إلى الدوار عبر مسار مثالي واحد فقط، وليس عبر جميع الممرات في وقت واحد.

في عام 1929، اكتشف إدوين هابل أن المجرات تبتعد – الكون يتوسع مثل العجين المُختمر. اليوم نعلم أنه ينمو بسرعة متزايدة، وعادةً ما يُطلق على المُسرِّع اسم الطاقة المظلمة. لكن الفيزيائيين أظهروا أن ما يدفعه ليس قوى مجهولة، بل ثقوب سوداء صغيرة وُلِدت بعد الانفجار العظيم مباشرة.

الكون مليء بكتلة غير مرئية - المادة المظلمة - والتي لا تظهر إلا من خلال الثقالة. تفترض إحدى الفرضيات أن المادة المظلمة تتكون من ثقوب سوداء بدائية - أجسام تشكلت في ظروف قصوى مباشرة بعد الانفجار العظيم. قد تبلغ كتلة هذه الثقوب السوداء كتلة كويكب، ويكون حجمها أصغر من نواة الذرة.