تصادم البروتونات

ثلاث كرات بلياردو بعد اصطدامها تتناثر على الطاولة — مساراتها تعتمد فقط على الدفعة الأولية. لكن في عالم النوى الذرية، الأمور أكثر تعقيدًا: الجسيمات تشعر ببعضها البعض أثناء الحركة، حتى لو لم تكن مرتبطة في كل واحد. لفترة طويلة، تمكن الفيزيائيون من قياس التفاعلات الثنائية فقط، أما ما يحدث عندما يلتقي ثلاثة أجسام فبقي خارج الإطار.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون. وجودها يُستدل عليه من تأثيرها الجاذبي على حركة النجوم والمجرات، لكن تكوين هذا الهيكل يظل لغزًا. إحدى الفرضيات هي جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. وهي بالكاد تتفاعل مع المادة العادية، لكنها في حالات نادرة قد تُظهر نفسها.

في مجرة السيجار البعيدة، هناك منارة غير عادية. إنها لا تضيء بالمعنى المألوف — بل تولد أشعتها في سحابة ملتهبة حول ثقب أسود يبتلع مادة نجم مجاور. تُسمى هذه الأجسام مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع. لمعانها في الأشعة السينية قوي لدرجة أنه يطغى على مجرات بأكملها. هذه السحابة — الهالة — تشبه مرجلًا يغلي. فيه تتخبط جسيمات البلازما بسرعات هائلة، وتتصادم وتتسارع.

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.

الجليد، الماء، البخار — تحولات طورية مألوفة للجميع. لكن ماذا يحدث إذا ضغطت وسخنت نواة الذرة نفسها؟ يعتقد المنظرون أن البروتونات والنيوترونات فيها «تذوب»، محررة لبنات أصغر — كواركات وغلوونات. الناتج خليط ساخن يُسمى بلازما كوارك-غلوون. كانت تملأ الكون في أول ميكروثانية بعد الانفجار العظيم.

في أعماق كاشف مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات، وفي لحظة وجيزة يولد شيء ثقيل. يتحلل فورًا إلى بوزوني هيغز — جسيمين، مثل الدمى الروسية، يخفي كل منهما زوجين من كواركات b. تتناثر أربعة تيارات من الجسيمات في اتجاهات مختلفة، والمهمة هي تمييز أثر حدث واحد وسط مليارات الأحداث المشابهة.

ينفجر عرض الألعاب النارية، وتتفتت نقطة واحدة إلى أربعة شرارات في آن واحد. هذا ما يفعله بوزون Z — الجسيم الذي ينقل القوة النووية الضعيفة — عندما يتحلل إلى أربعة لبتونات مشحونة (إلكترونات أو ميونات). العملية نادرة للغاية: من بين مليون ولادة لبوزون Z، يحدث حوالي خمسة من هذه الأحداث فقط.

التصفيق باليدين يضغط الهواء فينتشر في كل اتجاه — هذه أبسط صدمة. في الفضاء، تلعب النجوم المنفجرة دور الكفين: موجات صدمتها تضغط الغاز فجأة وتطلق خلطًا فوضويًا — اضطرابًا. لكن كيف تتحول طاقة الانفجار بالضبط إلى دوامات بأحجام مختلفة ظل لغزًا طويلاً، إذ يصعب رؤية التفاصيل في السدم البعيدة. للنظر إلى هذه العملية، بنى الفيزيائيون نموذجًا مصغرًا.

حجر يسقط في بركة ماء، فتنتشر عنه دوائر على سطح الماء. أما إذا لم يسقط الحجر بل مر فوق الماء بسرعة هائلة، فسيرسم على السطح موجة مستقيمة. وعندما تصطدم هذه الموجة بجذع طافٍ، تتولد من نقطة الاصطدام دوائر جديدة. هذا تقريبًا ما تفعله الجاذبية في العمل الجديد. يدرس العمل زوجًا: جسيم فائق السرعة (مثل ذلك الحجر) وجسم ضخم ساكن (مثل الجذع).

قدرٌ يغلي بحساءٍ فوار، وتريد أن تعرف مدى سخونة القطرات الفردية داخله. لكن لا يمكن غمس مقياس الحرارة إلا من الحافة، حيث لا يكون الغليان عنيفًا. هكذا تقريبًا هي الحال مع الاندماج النووي بالليزر: نبضة ليزر قوية تضرب هدفًا، مولدةً سحابةً من البروتونات السريعة. لا يمكن التقاطها للقياس إلا من الخارج، عندما تخرج وقد فقدت جزءًا من طاقتها. وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقة للنظر إلى داخل «القِدر».

في مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات مليارات المرات في الثانية، ومرة واحدة فقط من كل تريليون تصادم يولد زوج من بوزونات هيغز (الجسيمات المسؤولة عن كتلة كل شيء). في تجربة CMS، كان الفيزيائيون يتعقبون مثل هذه الأحداث تحديدًا.

تصطدم نواتا قصدير بسرعة تعادل تقريبًا ثلثي سرعة الضوء. للحظات، تنشأ سحابة كثيفة وساخنة تنطلق منها البروتونات في جميع الاتجاهات. إذا التقطنا أزواجًا من البروتونات وقسنا مدى تكرار انطلاقها في الاتجاه نفسه، يمكننا حساب حجم هذه السحابة. تُسمى هذه الطريقة "فيمتوسكوبيا" (femtoscopy) — وهي تعمل كمجهر للمقاييس النووية.

الاندماج النووي الحراري — اندماج بروتون مع نواة البورون-11 — يبشر بمصدر طاقة شبه مثالي: بدون تدفق النيوترونات الخطرة، فقط تدفق جسيمات مشحونة يمكن تحويله مباشرة إلى تيار كهربائي. لكن هنا تبرز المشكلة الأساسية لحاجز كولوم.

في كاشف CMS بمصادم الهدرونات الكبير، اصطدمت بروتونات مُسرَّعة إلى ما يقارب سرعة الضوء. بين مليارات هذه التصادمات، بحث الفيزيائيون عن أثر نادر: ولادة جسيم ثقيل واحد يتحلل فورًا إلى بوزون W وكوارك b.

في مجرة بعيدة، على مسافة يقطعها الضوء في 11 مليار سنة، انفجر شيء ما. رصد تلسكوب الأشعة السينية Einstein Probe وميضًا قصيرًا كوخزة إبرة، استمر بضع عشرات من الثواني فقط. لكن الأمر الأكثر إثارة بدأ بعد ذلك: بعد أيام، في الضوء المرئي العادي، زاد سطوع الجسم تدريجيًا مرة أخرى. هذا يشبه سيارتي سباق انطلقتا من خط واحد لكن بسرعتين مختلفتين.

في المسرّع الضخم، تصطدم الجسيمات ببعضها البعض، وأحيانًا لا يتبقى بعد الاصطدام سوى فوتونين — جسيمَي الضوء. يعرف الفيزيائيون كيفية التنبؤ بعدد مرات حدوث ذلك، لكن حساباتهم ظلت لفترة طويلة لا تتوافق مع ما تراه الكواشف. كل تحسين في النظرية كان يغيّر الإجابة، ولم يكن هناك اتفاق. قام مؤلفو العمل الجديد بخطوة إضافية في الدقة — أضافوا إلى الحساب المستوى التالي من التصحيحات.

عندما يطير جسيمان بسرعة متقاربة تقريبًا في الاتجاه نفسه، تندمج إشاراتهما في الكاشف، مثل صوتين في انسجام تام. تمييز الثنائي عن العازف المنفرد فنٌّ بحد ذاته. في مصادم الهادرونات الكبير، يُولَد الإلكترون ونقيضه البوزيترون أحيانًا بزخم يجعل طاقتيهما تتجمعان في كتلة واحدة في المسعّر (calorimeter) — الجهاز الذي يقيس طاقة الجسيمات.

في الفترة من 2016 إلى 2018، اصطدمت البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير في سيرن بطاقة 13 تيرا إلكترون فولت — كما لو تم تسريع حبتي بازلاء إلى سرعات يجعل اصطدامهما يولد سربًا كاملًا من الجسيمات الجديدة. وفي هذا السرب، بحث الفيزيائيون عن أكثر الضيوف غرابة: ثقوب سوداء مجهرية، وعقد من الأوتار، وسفاليرونات كهروضعيفة.

في مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات، ومن الوميض تولد عشرات الجسيمات. من بينها قد تكون آثار عمليات نادرة — مثل اضمحلال بوزون هيغز إلى بوزونين W. لكن هذه الجسيمات تتطاير بسرعة كبيرة لدرجة أن آثارها تندمج في نفاثة واحدة عريضة.

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.

الأشعة الكونية هي جسيمات تصل إلينا من الفضاء السحيق. عندما يصطدم أحد هذه الجسيمات بالغلاف الجوي، يولد زخة كاملة من جسيمات جديدة — تماماً مثل كرة البلياردو التي تحطم مثلث الكرات فتتناثر الكرات في كل اتجاه. للتنبؤ بشكل هذه الزخة، نحتاج إلى معرفة كيفية تفاعل الجسيم الأساسي مع أنوية ذرات الهواء.

ميزان بكفتين متساويتين، لكن إحدى الكفتين ترجح دائمًا. في عالم الجسيمات الأولية، يُسمى هذا الرجحان بانتهاك تناظر الشحنة-التكافؤ (CP): فالجسيمات ونظيراتها المرآتية (الجسيمات المضادة) تتصرف بشكل مختلف قليلًا. هذا الاختلال، كما يعتقد الفيزيائيون، هو ما سمح للمادة بالبقاء بعد الانفجار العظيم، حين كان ينبغي للمادة والمادة المضادة أن تفني كل منهما الأخرى.

الضوء المنعكس من القرص الملتهب حول الثقب الأسود قد يخبرنا عنه أكثر مما كنا نعتقد. عندما يُصدر القرص حرارة، ينعكس جزء من هذا الضوء مرة أخرى على القرص ويتشتت، مكتسبًا توزيعًا غير عاديًا للطاقة — وكأن مكوّنًا جديدًا يُضاف إلى التوهج المعتاد، يشبه قانون القوة.

البروتونات المسرّعة إلى طاقة هائلة تصطدم بلوحة معدنية سميكة — مثل الرصاص في درع. داخل المعدن، تولد للحظة جسيم J/ψ الذي يضمحل فورًا إلى ميونين — قريبي الإلكترون الخفيفين. تخرج هذه الميونات من الهدف، وتلتقط الكواشف آثارها. قارن العلماء عدد الميونات الملتقطة بتوقعات النموذج الحاسوبي. توقع النموذج عددًا أكبر من الميونات ذات العزم العرضي الكبير — أي تلك التي تطير بزاوية معينة بالنسبة للحزمة.

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.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون فراغاً كمومياً تتولد فيه أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة تلقائياً وتفني بعضها فوراً — «ضيوف» افتراضيون من العدم الفيزيائي.

في المطبخ، يمر شعاعا مصباحين يدويين عبر بعضهما البعض دون أن يلاحظ أحدهما الآخر. الضوء لا يكاد يتفاعل مع الضوء. ولكن إذا تم تسريع الجسيمات إلى طاقات هائلة، يمكن لفوتونين أن يصطدما ويولدا شيئاً جديداً.

في مصادم الهادرونات الكبير، تصطدم البروتونات بسرعة تقارب سرعة الضوء. أحيانًا لا تتحطم، بل تتبادل فوتونات — جسيمات الضوء. هذه الفوتونات يمكن أن تولد زوجًا: جسيمًا يراه الكاشف، وآخر يطير دون أن يُلاحظ. هذه العملية تشبه لعبة البلياردو، حيث بعد الضربة تبقى كرة على الطاولة وتختفي الأخرى في الجيب دون أن تترك أثرًا.

عندما يتحلل بوزون W (الجسيم الناقل للتفاعل الضعيف) إلى كوارك وكوارك مضاد، فإن هذين الشظيتين تطيران في نفس الاتجاه تقريبًا بسبب السرعة الهائلة للمصادم. لا يرى الكاشف جسيمين منفصلين، بل نفاثة واحدة عريضة — كما لو أن عدّاءَين عند خط النهاية يندمجان في بقعة واحدة في الصورة الفوتوغرافية. داخل هذه النفاثة تكمن معلومات عن كتلة بوزون W الأصلي.

كاشف المادة المظلمة يشبه ميكروفونًا شديد الحساسية يستمع إلى الصمت. يلتقط دفعات حرارية متناهية الصغر — فونونات (phonons) — تنشأ عندما تصطدم جسيم ببلورة الكاشف. لكن بدلًا من الصمت، تسمع الأجهزة ضجيجًا لسنوات: عدد كبير من الإشارات الضعيفة التي تقل عن بضع مئات من الإلكترون فولت.

عندما يصطدم نواتا رصاص بسرعة هائلة، تنشأ للحظة سحابة من المادة الملتهبة — أكثر كثافة وحرارة من مركز الشمس. عبر هذه السحابة تطير نفثات من الجسيمات: حزم ضيقة مثل أشعة الليزر، قُذفت بفعل الاصطدام. كاشف CMS يلتقط آثارها ويُظهر كيف تتغير النفثات وهي تشق طريقها عبر "الضباب" الساخن. قاس العلماء مدى اتساع انتشار جسيمات النفثة في اتجاهين: على طول محور الحزمة وعرضيًا.

في حلقة تحت الأرض يبلغ طولها 27 كيلومترًا، تُسرَّع البروتونات إلى سرعة تقارب سرعة الضوء وتُصطدم وجهاً لوجه. عند نقطة الاصطدام، تنشأ لحظيًا ظروف مشابهة لتلك التي كانت سائدة في أول تريليون جزء من الثانية بعد نشأة الكون. كاشف CMS — آلة متعددة الطوابق مصنوعة من السيليكون والرصاص والمغناطيسات فائقة التوصيل — يلتقط حطام هذه الاصطدامات.

في عام 2017، اصطدمت البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير بطاقة 5.02 تيرا إلكترون فولت. سجل كاشف CMS هذه التصادمات، وبين مليارات الأحداث، بحث الفيزيائيون عن حالة نادرة: نشوء كوارك قمي واحد فقط دون جسيمه المضاد. عادةً، تظهر الكواركات القمية في أزواج — كوارك وكوارك مضاد معًا، مثل وجهي عملة واحدة.

في الهواء المضطرب، لا تطير القطرات في خط مستقيم، بل تقذفها التيارات من جانب إلى آخر، مثل ذرات الغبار في شعاع الضوء. بنى الفيزيائيون منظومة تتعقب كل قطرة بحجم عُشر سُمك الشعرة. كاميرا تصور حركتها، ويقوم الحاسوب بإعادة بناء المسارات. العائق الرئيسي هو الآثار الكاذبة، عندما تلتقط الكاميرا وميضًا أو انعكاسًا على أنه قطرة. ابتكر المؤلفون مرشحًا يستبعد هذه القطع الأثرية بناءً على زوايا الحركة.

في كل مرة يندمج فيها الديوتيريوم والتريتيوم داخل مفاعل الاندماج النووي، ينطلق نيوترون سريع. يمكن لهذا النيوترون أن يحول بعض المواد إلى أخرى، على سبيل المثال، إنتاج نظائر ثمينة للطب. اليوم، هذه النيوترونات باهظة الثمن بشكل خيالي، لأن عدد المنشآت التجريبية قليل وهي تعمل نادرًا.

في تصادمات النوى الثقيلة، تتولد كرة نار من آلاف الجسيمات. ومن بينها البيونات والكاونات، وهما نوعان من الجسيمات الخفيفة المتشابهة جدًا. لفهم ما يحدث في هذه الكرة النارية، يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة دقيقة بعدد الجسيمات المنطلقة من كل نوع.

في مصادم الهادرونات الكبير، تُصطدم البروتونات بنوى الرصاص. لحظة الاصطدام تولد مئات الجسيمات الجديدة، وبعضها يخرج في حزم ضيقة — نفاثات. داخل هذه النفاثة، كما في تيار كثيف، يمكن للبروتونات والنيوترونات أن تلتصق معًا لتكوين نوى أكبر، مثل الديوترون — نواة الهيدروجين الثقيل.

في مكان ما فوق رؤوسنا، كل ثانية، يصطدم بروتون بالغلاف الجوي بطاقة أكبر بملايين المرات من طاقة البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير. يضرب جزيء هواء، فينشأ شلال — زخة جوية عريضة من آلاف الجسيمات. يلتقط الفيزيائيون هذه الزخات بكاشفات أرضية، لكنهم حتى الآن لم يستطيعوا تحديد ما حدث في اللحظة الأولى بالضبط، عند نقطة الاصطدام الأول.

في عقد 2010، تعلم الفيزيائيون العاملون في مصادم الهادرونات الكبير إنشاء مادة في المختبر لا توجد في العالم العادي. عند اصطدام نواتين من الرصاص، مسرعتين إلى سرعة تقارب سرعة الضوء، تنشأ للحظة بلازما الكوارك-غلوون — «حساء» من أصغر الجسيمات المعروفة للمادة، والذي ملأ الكون في أول ميكروثانية بعد الانفجار العظيم.

في كاشف أطلس (ATLAS) بمصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات مليارات المرات في الثانية. ومن بين هذا التدفق، التقط الفيزيائيون ثمانية أحداث نشأت فيها بعد الاصطدام بوزونات Z اثنان وفوتون واحد.