فيزياء الجسيمات

في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) تُصطدم البروتونات، وأحياناً بين الحطام يظهر جسيم ثقيل — بارون لامدا. هذا بارون، أي جسيم يتكون من ثلاثة كواركات، مثل البروتون أو النيوترون، لكنه يحتوي على كوارك غريب أثقل. يعيش بارون لامدا لجزء ضئيل من الثانية ثم يضمحل إلى جسيمات أخرى.

اهتز الكون بجلبة عالية في اللحظات الأولى. في عصر التضخم الكوني، عندما كان الكون يتوسع أسرع من الضوء، كانت الطاقات هائلة — أكبر بتريليونات المرات من تلك الموجودة في مصادم الهادرونات الكبير.

في عام 1981، اقترح آلان غوث سيناريو التضخم الكوني — انتفاخ سريع خاطف للفضاء، مدّد التموجات الكمومية إلى مقاييس مجرات كاملة. منذ ذلك الحين، يقوم علماء الكونيات، كعلماء الآثار، بالتنقيب عن هذا الحدث عبر بنى الكون.

فهم فوتومتري — وهي الظاهرة التي يسقط فيها الضوء على مادة فيُخرج منها إلكترونات — يشبه تعلّم الطبخ دون وصفة. تأتي الأدوات الرقمية للنجدة: الألعاب تمنح حدسًا بديهيًا، والمحاكاة تمنح دقة كمية. أجرى الباحثون تجربة شارك فيها 55 طالبًا، قسموهم إلى مجموعتين.

نهاية الكون ليست مجرد خفوت للضوء. إذا كانت الطاقة المظلمة — المادة الغامضة التي تسرّع توسع الكون — ستمزّقه إربًا في سيناريو التمزق العظيم، أو إذا تحول التوسع إلى انكماش يعيد كل شيء إلى نقطة شبيهة بـ الانفجار العظيم بالعكس، عندها يحدث التفرد — اللحظة التي تفشل فيها الفيزياء المألوفة.

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.

شبكة عصبية دربت على تصادمات البروتونات والإلكترونات نقلت مهاراتها إلى تجربة مختلفة تمامًا — اصطياد النيوترينوات. وكأنها طاهٍ تعلم فنون المطبخ الفرنسي، ثم أتقن بلا تحضير مسبق طبق بيلاف أوزبكي رائع. أخذ الباحثون نموذج OmniLearned، الذي درب على بيانات من مسرعات جسيمات حيث الطاقات هائلة والكاشفات معقدة.

في مصادم الهادرونات الكبير، تصطدم البروتونات ببعضها البعض مثل شاحنتين محملتين بالقصاصات الملونة. تتطاير الشظايا — عشرات الجسيمات الجديدة — في كل الاتجاهات. يسجل الكاشف آثارها، ثم يبدأ العمل الرئيسي: تجميع صورة كاملة للاصطدام من هذه الآثار. في السابق، كانت هذه المهمة تُنجز بواسطة مجموعة قواعد وضعها الفيزيائيون. كان كل نوع من الجسيمات يُعالج على حدة، وفق قوانينه الخاصة.

في معجل الجسيمات في بكين، يتم تصادم الإلكترونات مع البوزيترونات، وفي لحظة قصيرة يولد جسيم يسمى إيتا-سي. يعيش هذا الجسيم لجزء ضئيل من الثانية ثم يتحلل إلى جسيمات أخرى. واحدة من أندر الطرق هي أن يتحلل إلى فوتونين، وهما جسيمات الضوء. حتى الآن، لم يتمكن أحد من تحديد عدد المرات التي يحدث فيها هذا بدقة.

في كاشف BESIII، تؤدي الجسيمات عرضًا مسرحيًا: تتصادم، وتولد، وتضمحل، تاركة ومضات من الضوء. لكن في بعض الأحيان قد يغادر الممثل المسرح دون أن يلاحظه أحد — عبر باب سري لا تراه الكاميرات. بحث الفيزيائيون عن مثل هذه الاضمحلالات "الصامتة"، عندما يتحول الجسيم إلى شيء غير مرئي للأجهزة. للقيام بذلك، استخدموا عشرة مليارات حدث مع جسيم J/ψ — وهذا يشبه النظر إلى عشرة مليارات صورة لنفس اللحظة.

أثر الجسيم قصير العمر يشبه توقيعًا يُترك في الكاشف. يولد الجسيم ويضمحل في لحظة، لكن من أثره يمكن استنتاج طبيعته — هل هو مدمج كالحجر أم رخو ككرة الثلج؟ هذا هو موضوع العمل: يقترح المؤلفون طريقة جديدة لقراءة هذه التوقيعات. لاحظوا أن لكل جسيم زاوية تربط كتلته بعمره. هذه الزاوية تحدد الطور الذي يجب أن يحمله أثره في التجربة. الطور هو إزاحة في الموجة، كما لو التقت موجتان متطابقتان لكن إحداهما تأخرت جزءًا من الثانية.

في المعهد الهنغاري لأبحاث النواة ATOMKI، لاحظ الفيزيائيون شيئًا غريبًا: في اضمحلال نوى ذرية مثارة، تتولد أحيانًا أزواج من الإلكترون والبوزيترون تتناثر بزاوية غير عادية. وكأن هناك جسيمًا وسيطًا غير مرئي يختبئ بينهما، يظهر للحظة ثم يختفي.

يصطدم شعاع الإلكترونات بالبروتون مثل كرة البلياردو بكرة أخرى. ولكن بينهما ليس فراغًا: إذ تتبادل الجسيمات فوتونات افتراضية وبوزونات Z، مثل لاعبين يمررون الكرة خلف ظهورهم. هذا التبادل يغير مسار التشتت قليلًا، وفيه يختفي تلميح إلى فيزياء جديدة. الحسابات على الشبكة هي تقسيم الزمكان إلى خلايا صغيرة وحساب التفاعلات داخل كل خلية.

على طاولة يرقد غشاء مطاطي رقيق. يمسكه أحدهم من منتصفه ويسحبه ببطء إلى الأعلى. لا يريد الغشاء أن يرتفع ببساطة: بل يتقوس كقبة، ثم تنتشر التجاعيد على حافة القبة، مثل ثنيات التنورة. يُرفع أعلى — فتتجمع التجاعيد في طيات كبيرة تعبر الغشاء كله. وإذا بدأنا بالإنزال، لا تختفي الطيات، بل تنطوي في أشكال جديدة. هذه التجربة البسيطة موصوفة في عمل جديد، وهي تفسر سبب حدوث ذلك.

يضرب الضوء صفيحة معدنية فتخرج منها إلكترونات. هذه هي الظاهرة الكهروضوئية، وهي لا تعمل إلا إذا كانت طاقة الضوء كافية لتجاوز العتبة التي تحبس الإلكترونات في الداخل. حتى الآن، كان الفيزيائيون قادرين على وصف الجانب الموجي للعالم الكمومي بدقة من خلال الترابط الكمومي، أي قدرة الحالة على أن تكون تراكبًا.