بحث عن أحداث نادرة

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.

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 مجرة NGC 1052 DF2 تتحرك النجوم بسرعة 8 كيلومترات في الثانية فقط — وكأنه لا توجد كتلة غير مرئية حولها. للمقارنة: في مجرتنا درب التبانة، تصل سرعة النجوم البعيدة إلى 200 كيلومتر في الثانية، محتجزة بهالة ضخمة من المادة المظلمة.

في التاسعة صباحًا، يسجل كاشف DarkSide-50 على عمق 1400 متر تحت جبل غران ساسو نبضة تأين ضعيفة. بحلول الحادية عشرة مساءً، ينخفض تواتر هذه الأحداث بشكل ملحوظ. هذا ليس عطلًا إلكترونيًا ولا تباينًا موسميًا في الخلفية. كل يوم، يتغير تدفق المادة المظلمة الذي يصل إلى الكاشف بمقدار الضعف تقريبًا في السعة.

المادة المظلمة هي المهندس الخفي للكون، الذي يمنع المجرات من التشتت. بفضل فريتز زفيكي وفيرا روبين، نعلم أن المادة العادية في الكون ليست سوى نسبة ضئيلة. ولكن ما الذي يخفيه هذا المادة المظلمة؟ إحدى أكثر الفرضيات جرأة هي الجسيمات الثقيلة المشحونة، أو CHAMP.

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.

اختيار شريحة معطوبة واحدة من بين مليون، دون أي فكرة مسبقة عن شكل العيب، هو تحدٍ كلاسيكي يشبه البحث عن إبرة في كومة قش. يختبر الحاسوب التقليدي كل شريحة واحدة تلو الأخرى. أما الحاسوب الكمومي فيعمل مثل مصفاة ذاتية الضبط: تصب الدفعة الكاملة، ولا تظهر إلا الشوائب النادرة المعطوبة - دون الحاجة إلى وصف مسبق.

المادة المظلمة غير مرئية، لكن جاذبيتها تتحكم في حركة المجرات. مما تتكون؟ لغز. إحدى الأفكار: إنها جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. في الظروف العادية لا تظهر نفسها تقريبًا، لكن في محيط الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن تتحلل إلى فوتونين — مثل عود ثقاب لا يشتعل إلا بلهب مشتعل بالفعل.

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.

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 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، 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.

في منجم مظلم تحت جبال الألب الإيطالية، يوجد خزان يحوي ثلاثة أطنان من الزينون السائل. عندما يصطدم به جسيم، يقتلع من الذرات ومضات ضوئية خافتة وسُحُبًا من الإلكترونات. عبر هذه الآثار، يأمل الفيزيائيون في رؤية أندر اضمحلال: نواة الزينون-136 تتحول إلى باريوم-136، باعثةً إلكترونين وبدون أي نيوترينو.

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.

في برد عميق، عند درجة حرارة لا تتجاوز درجتين فوق الصفر المطلق، يستمع تجويف نحاسي بحجم قدر إلى صمت الكون. هذا التجويف هو قلب النموذج الأولي لكاشف Supax، المصمم للبحث عن الأكسيونات: جسيمات لم يرها أحد قط، لكنها قد تشكل المادة المظلمة غير المرئية التي تربط المجرات ببعضها. الأكسيونات مثل الأشباح: فهي بالكاد تتفاعل مع المادة العادية.

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.

كاشف MicroBooNE هو خزان كبير من الأرجون السائل يلتقط الجسيمات التي تمر عبره. عندما يمر جسيم، يترك أثرًا من الشحنة وومضة ضوء. تتراكم هذه الآثار لتكوين صورة ثلاثية الأبعاد للحدث، وكأن الجسيم يرسم مساره في مكعب شفاف. لكن هذه الأحداث كثيرة جدًا: في كل ثانية تمر مئات الميونات الكونية عبر الكاشف. تسجيل كل شيء يعني الغرق في البيانات.

رصاصة لا تخترق هدفًا واحدًا فحسب، بل تترك أثرًا في عدة طبقات من الدروع. هذا تقريبًا سلوك المادة المظلمة فائقة الثقل، التي تم البحث عنها لأول مرة في كاشف DarkSide-50. المرشحون المعتادون للمادة المظلمة — الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMP) — تمر عبر المادة بشكل شبه غير مرئي، وتصطدم أحيانًا بالأنوية.

المادة المظلمة تشبه الغراء غير المرئي الذي يمسك المجرات ببعضها. إنها لا تُصدر ضوءًا، لكن إذا تصادمت جسيماتها فقد يومض إشعاع غاما. بحث العلماء عن مثل هذه الومضات في المجرات القزمة — وهي تجمعات نجمية صغيرة حيث تكون المادة المظلمة وفيرة جدًا والمادة العادية شبه معدومة. الأمر أشبه بالبحث عن همس في غرفة هادئة: كلما قلّ الضجيج، كان الاستماع أسهل.

في المحيط، تظهر أحيانًا موجة عملاقة منفردة تنشأ من العدم ثم تختفي. هذه الموجات القاتلة نادرة لكنها خطيرة. ومضات نادرة وقوية مماثلة تحدث في أنظمة أخرى — من الأسواق المالية إلى الليزر. المشكلة أنها صعبة التنبؤ، بل وأصعب في الاستدعاء عند الطلب. في العمل الجديد، استخدم الفيزيائيون ليزر شبه موصل — مصدر ضوء صغير موجود في مشغلات DVD وخطوط الألياف البصرية.

أصبح الرصاص القديم الذي ظل في قاع البحر ألفي عام قلب كاشف يبحث عن أكثر مادة مراوغة في الكون. فقد تمت زراعة بلورة شفافة من تنجستات الرصاص كتلتها 13 غرامًا وتبريدها إلى ما يقارب الصفر المطلق. هذا الرصاص قيّم لأنه على مر القرون اضمحلت فيه جميع الذرات غير المستقرة تقريبًا، فأصبح نقيًا للغاية، كماء عين جبلية.

منذ أن أظهرت فيرا روبين لأول مرة وبشكل مقنع أن المجرات محاطة بمادة غير مرئية، لا يزال البحث عن طبيعة المادة المظلمة أحد المهام الرئيسية في الفيزياء.

كاشفات الموجات الثقالية — وهي تموجات في نسيج الزمكان تسببها أحداث كونية هائلة — تعمل تقليديًا وفق مبدأ الترشيح المطابق: تتم مقارنة الإشارة مع بنك من القوالب المحسوبة مسبقًا، كما لو أننا نحاول التعرف على لحن مألوف وسط الضجيج.

المادة المظلمة هي الهيكل الجذبوي غير المرئي الذي يمنع المجرات من التمزق بفعل القوة الطاردة المركزية. في ثلاثينيات القرن العشرين، اكتشف فريتز زفيكي، أثناء تحليله لحركة المجرات في عنقود الهلبة (Coma Cluster)، سرعات عالية بشكل غير طبيعي تتطلب كتلة إضافية.

ليزر الأشعة السينية LCLS-II في كاليفورنيا يطلق ومضات قصيرة وقوية — مثل آلة الوميض في قاعة الرقص. بين الومضات تبقى فترات مظلمة طولها 26.9 نانوثانية (أجزاء من مليار من الثانية). في هذه الفترات تحديدًا يريد الفيزيائيون اصطياد المادة المظلمة — المادة الغامضة التي لا تشع لكنها تجذب المادة العادية بجاذبيتها.

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.

إن اكتشاف إشارة ضعيفة على خلفية من ضوضاء يشبه محاولة سماع جرس بعيد في عاصفة. التضخيم المعتاد يجعل الضجيج أكثر صممًا فحسب. تصحيح الأخطاء الكمومي يحل المشكلة بطريقة غير متوقعة. هذه الحيلة، التي ابتُكرت أصلًا لحماية الحواسيب الكمومية من الأخطاء، تعمل كمرشّح ذكي: فهي لا تقطع الضوضاء فحسب، بل تشوّه الإشارة نفسها عن عمد.

في عام 1997، ارتفعت حرارة المحيط الهادئ لدرجة أن الشعاب المرجانية ابيضت من إندونيسيا إلى جزر غالاباغوس، واجتاحت الفيضانات والجفاف خمس قارات. هذه الأحداث، التي يسميها علماء المناخ بالنينيو المتطرفة، تحدث مرة كل بضعة عقود، ولكي نفهم مدى تكرارها في المستقبل، نحتاج إلى آلاف السنين من الملاحظات. المحاكاة المباشرة للمناخ على مدى هذه الفترات تتطلب قدرات حسابية تعادل توقع الطقس لمئة ألف سنة قادمة.

قبل مئة عام، كانت المراصد المغناطيسية تسجل فقط التنفس البطيء لنواة الأرض. اليوم، تتحول بياناتها إلى أرض صيد لفيزياء الجسيمات. في مرصد إسكداليمور شمال إنجلترا، تُسجل تذبذبات المجال المغناطيسي كل جزء من مئة من الثانية. عشر سنوات من هذه التسجيلات، أي 9909 مقطعاً مدة كل منها ثماني ساعات، أصبحت فخاً لشبح: الفوتون المظلم.

كرة سيليكونية قطرها 166 نانومترًا تطفو في شعاع ليزر تحت الحمراء. الضغط أقل من 10⁻⁸ مليبار، ودرجة حرارة الحركة حوالي 10 ملي كلفن. هذا أبرد من إشعاع الخلفية الكونية. الكرة عبارة عن مقياس زلازل مجهري يلتقط الارتجاجات الكمية للجسيمات غير المرئية. كل اصطدام لجسيم المادة المظلمة ينقل زخمًا إلى الكرة. تهتز الكرة.