سوبر كاميوكاندي

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.

يرسل الكون إلينا إشارات باستمرار، لكن كثيرًا منها أضعف من أن تُلاحَظ. النيوترينوات الأثرية النيوترينوات — الجسيمات التي خلفها الانفجار العظيم — تخترق الأرض بالمليارات كل ثانية، لكن التقاط واحدٍ منها فقط مهمةٌ على حافة المستحيل. نحتاج إلى كاشفٍ يستشعر طاقةً أصغر بألف مرة من الطاقة اللازمة لتحريك ذرّة غبار. يعمل الجهاز الجديد SuperEM كأذنٍ مرهفة تلتقط الهمس.

نجم ضخم يستنفد وقوده — وينهار قلبه في أجزاء من الثانية. يولد مستعر أعظم، ومعه وابل قصير لكن قوي من النيوترينوات. هذه الجسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، لذا تنطلق بحرية حاملة معلومات عن الكارثة. لكن في رحلتها التي تمتد لآلاف السنين الضوئية، قد تتغير تحولاتها من نوع إلى آخر تحت تأثير مجال بعيد المدى جديد.

حوض ضخم مليء بسائل شفاف مخبأ في أعماق الأرض. لا يوجد فيه سوى «مرق» نقي للغاية يومض بضوء خافت عندما يمر عبره جسيم غير مرئي. هذا هو كاشف JUNO، 20 ألف طن من الومّاض السائل، المبني لاصطياد النيوترينوات. العدو الرئيسي لهذا الاصطياد ليس الظلام، بل الضوضاء الذاتية. فالسائل نفسه، وجدران الخزان، وحتى المسامير والحشوات قد «تشع» قليلًا — أي تُصدر جسيمات بسبب النشاط الإشعاعي الطبيعي.

عندما يستنفد نجم هائل وقوده، ينهار قلبه مولّدًا مستعرًا أعظم ومرسلاً وابلاً نافذًا من النيوترينوات. في ثلاثينيات القرن العشرين، تنبأ فريتز زفيكي وفالتر بادي بولادة نجوم نيوترونية في مثل هذه الكوارث، بينما كشف هانز بيته عن عمليات الاندماج النووي…

عائلة النيكلات هي بلورات طبقية تشبه كومة من الفطائر: طبقات النيكل والأكسجين تتناوب مع طبقات اللانثانوم. قبل عامين اكتُشف فيها الموصلية الفائقة — القدرة على توصيل التيار دون مقاومة عند التبريد. لكن بيانات المختبرات المختلفة تباينت وكأن كل مختبر يقيس مادة مختلفة. قررت مجموعة من الباحثين معرفة السبب.

يطور المهندسون سبيكة لمجمعات الطاقة الشمسية، بإضافة جسيمات صلبة مشتتة إلى المصفوفة — طور مقوٍّ، يشبه الزبيب في العجين، يسمح للمادة بالحفاظ على استقرارها البنيوي في درجات حرارة قصوى الحرارة. إذا كانت هذه الشوائب كبيرة جدًا، تنشأ تشققات في المادة. سابقًا، اضطر العلماء إلى عد هذه الجسيمات يدويًا في الصور المجهرية الملتقطة بالميكروسكوب.

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.

كثيرًا ما تُشبَّه النيوترينوات بإرسال إذاعي تلتقطه أجهزة استقبال مختلفة. محطة واحدة ترسل الإشارة، لكن الهوائيات في اليابان والقارة القطبية الجنوبية وقاع البحر الأبيض المتوسط تسمعها بشكل مختلف — بسبب المسافة والتشويش واتجاه الهوائي. حتى الآن، كان يُعتقد أنه لا يمكن دمج التسجيلات من هذه «الأجهزة» المختلفة في صورة واحدة ذات معنى: فالتفاصيل التقنية كثيرة جدًا. مجموعة من الفيزيائيين أثبتت العكس.

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.

في أبريل 2021، في مجرة تبعد 35 ميغا فرسخ فلكي، ظهر المستعر الأعظم SN 2021foa. وقد أثار حيرة الفلكيين على الفور: كان طيفه يتبدل بشكل محموم بين خطوط الهيدروجين و الهيليوم - وكأن النجم في سكرات الموت كان يتخلص باضطراب من طبقاته الخارجية.

في أعماق نجم نيوتروني هائل، حيث تزن ملعقة صغيرة من المادة وزن جبل، تنضغط الكواركات إلى مسافات لا تُصدق. قبل اكتشاف هذه الأجرام بزمن طويل، حسب سوبرامانيان تشاندراسيخار حد الأقزام البيضاء، وتنبأ فريتز زفيكي بجرأة أن المستعرات العظمى تُخلف وراءها كتلًا من النيوترونات.

مصوّر فوتوغرافي يلتقط غابة ليلية محاولًا الإمساك باليراعات في كادر. الومضات نادرة وخافتة، وحوله ضجيج الريح وأضواء بعيدة. هكذا تقريبًا يعمل الكاشف الضخم Hyper-Kamiokande في اليابان: فهو يلتقط النيوترينوات — جسيمات شبه غير ملموسة — عبر ومضات ضوئية صغيرة في 260 ألف طن من الماء.

في أعماق الأرض في اليابان، يوجد خزان ضخم من أنقى المياه. ينتظر ضيوفًا نادرين — النيوترينوات القادمة من انفجارات نجوم بعيدة. مثل هؤلاء الضيوف لا يظهرون تقريبًا أبدًا: على مدى سنوات المراقبة، يسجل جهاز Super-Kamiokande بضع حوادث فقط. لكن مؤخرًا، لاحظ الفيزيائيون أن عدد الضيوف أكبر قليلاً من المتوقع. هذا الفائض يشبه رنين هاتف هادئ في الليل — ضعيف لكنه ملحّ.

خزان ضخم من الماء فائق النقاء مخبأ في أعماق الأرض في اليابان. جدرانه مغطاة بآلاف المصابيح الحساسة للضوء، التي تلتقط ومضات خافتة — آثار جسيمات شبحية تخترق عمود الماء. هذا الكاشف، سوبر كاميوكاندي، ظل يحدق في السماء لفترة طويلة بحثًا عن صدى نيوترينوي لانفجارات نجمية قديمة. وفجأة — تدفق غير متوقع.

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.

في أعماق البحر المتوسط، حيث يضغط الماء بقوة مئات الأجواء، كانت شبكة من الكرات الحساسة للضوء تنتظر ضيفًا نادرًا. وقد جاء — نيوترينو حمل عبر سمك الأرض طاقة تعادل ضربة طوبة طائرة. لكن بدلاً من الطوبة، جسيم صغير، شبه غير محسوس، لكنه قادر على إخبارنا عن أكثر زوايا الكون اضطرابًا. سُمي هذا الجسيم KM3-230213A. وهو الأول في التاريخ الذي تتجاوز طاقته 100 إلكترون فولت (PeV).

مترجم في منتصف القاعة يبدأ فجأة في نقل الرسالة بالعكس. هذا تقريبًا ما قد يفعله النيوترينو — الجسيم الشبح الذي لا يكاد يتفاعل مع المادة — إذا اعترضت طريقه سحابة من المادة المظلمة فائقة الخفة. أظهر مؤلفو الدراسة أن النيوترينو في مثل هذه السحابة يمكن أن يتحول إلى نقيضه، النيوترينو المضاد، وهذا ليس مجرد فضول نظري.

داخل كل ذرة يعيش بروتون. لفترة طويلة، اعتُبر أبديًا مثل المادة نفسها. لكن النظريات التي توحّد كل قوى الطبيعة تتنبأ بأن البروتون سيضمحل عاجلاً أم آجلاً. السؤال الوحيد هو: كم علينا أن ننتظر؟ في الكاشف الياباني سوبر-كامينوكاندي — وهو خزان ضخم من الماء فائق النقاء — بحث الفيزيائيون عن آثار لمثل هذا الاضمحلال. راقبوا البروتونات لمدة 0.4 ميغاطن-سنة (أي ما يعادل مراقبة مليون طن من الماء لمدة عام كامل).

في أعماق جبل إيكينو الياباني، يوجد خزان يحتوي على خمسين ألف طن من أنقى المياه. فيه تُلتقط النيوترينوات — جسيمات شبحية تخترق الأرض من طرف إلى آخر دون أن تكاد تلاحظها. عندما ينفجر نجم في مجرتنا، تصل النيوترينوات أولاً، قبل الضوء بساعات. المستعر الأعظم يولّد وميضاً من النيوترينوات، وأصبح كاشف سوبر-كامينوكاندي قادراً على تحديد الجهة التي جاء منها بسرعة.

مصباح بعيد يضيء عبر زجاج غير مستوٍ. الزجاج يلوي الأشعة، فبدلًا من نقطة ضوء واحدة على الجدار تظهر عدة نقاط — بعضها أشد سطوعًا وبعضها أضعف. وبالمثل تقريبًا، تقوم مجرة ضخمة بلوي ضوء نجم منفجر. كان الانفجار واحدًا، لكن الصور أظهرت أربع نقاط مضيئة. لاحظ علماء الفلك النقطة الأولى بالصدفة: في بيانات تلسكوب ZTF ظهرت وميض أزرق بجوار مجرة بعيدة. ثم أظهر الطيف أن الضوء قطع أكثر من ثمانية مليارات سنة للوصول إلينا.

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.

الماء العادي في الكوب شفاف وهادئ. لكن إذا أضفت إليه نقاطاً كربونية صغيرة مصنوعة من السكر وحامض الستريك في ميكروويف عادي، يبدأ الماء بالتوهج عندما يمر عبره جسيم مشحون. النقاط الكربونية هي جسيمات كربون حجمها بضعة نانومترات، أصغر من الفيروس.

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 خزانٍ مظلمٍ يتسع لثلاثين طنًا، يتوهج الماء عندما يعبره جسيمٌ شبحٌ. النيوترينو لا يتفاعل تقريبًا مع المادة، لكنه من حينٍ لآخر يصطدم بذرةٍ، وعندها يولد وميضٌ. لالتقاط هذا الوميض، يُضاف إلى الماء مادةٌ خاصة — وميضٌ سائل (liquid scintillator) — تعمل على تضخيم الضوء. الكاشفات التقليدية ترى إما نوعًا واحدًا من التوهج أو الآخر.

لترتيب لفات الجسيمات في اتجاه واحد، عادةً ما يبرّد الفيزيائيون المادة إلى ما يقارب الصفر المطلق ويضعونها في مجال مغناطيسي قوي. هذا مكلف وضخم. الطريقة الجديدة تشبه ضبط عدد كبير من القمم بنقرة خفيفة: الجزيئات الوسيطة ترتبط مؤقتًا بالذرات المستهدفة وتنقل إليها انتظامها. تُسمى الطريقة SABRE — تضخيم الإشارة عبر التبادل العكسي.

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.

عندما يندفع جسيم عبر مادة شفافة أسرع من سرعة الضوء في تلك المادة، يترك خلفه وميضًا أزرق خافتًا — تمامًا كما يولّد الطائرة التي تخترق حاجز الصوت موجة صادمة. هذا الإشعاع، المعروف باسم إشعاع تشيرينكوف، يومض فورًا دون أي تأخير، ولذلك فهو مثالي لصنع ساعات فائقة الدقة في عالم الجسيمات الأولية.

في أبريل 2023، رصدت الأقمار الصناعية اليابانية توهجاً فائق القوة بالأشعة السينية على النجم النيوتروني MAXI J1752–457. برد النجم في 4 أيام — أسرع بخمس مرات من المعتاد. كما لو أن أحداً فتح نافذة كونية. هذه النافذة فتحتها 'عملية أوركا' النووية. في محيط من النوى الذرية بسمك مئات الأمتار، تتبادل البروتونات والنيوترونات الإلكترونات مولدّةً النيوترينوات.

الضوء القادم من أقدم مرحلة في عمر الكون يصل إلينا بعد رحلة تستغرق مليارات السنين. في طريقه، يمر بجوار تجمعات هائلة من المجرات. جاذبيتها تحني هذا الضوء قليلاً، تماماً كما يغير زجاج الواجهة مظهر الشارع خلفه. وعندما تنمو هذه التجمعات، يصبح الانحناء أكثر وضوحاً. يُعرف هذا التأثير بتأثير ريس-سكياما (Rees-Sciama effect). قارن علماء الفلك كيف يمكن لتلسكوبات مستقبلية مختلفة رصد هذا الانحناء.

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 الحقل يقف خزان ماء يُستخدم عادةً لالتقاط الجسيمات القادمة من الفضاء. الآن يراقب كمية الرطوبة في الأرض تحت الأقدام. يعمل الماء في الخزان كمصيدة للنيوترونات — جسيمات صغيرة تنطلق من التربة عندما تصطدم بها الأشعة الكونية. كلما كانت الأرض أكثر جفافاً، زاد عدد النيوترونات المنبعثة، وزاد تواتر تسجيل الخزان لها.

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.

في أعماق نجم يحتضر، أثقل من الشمس بثماني مرات، وقبل أيام قليلة من الانفجار النهائي، يبدأ حمّى صامتة. ينضغط قلب النجم ويسخن، وتنبعث منه نيوترينوات — جسيمات صغيرة لا تكاد تتفاعل مع المادة. هذا التدفق يشبه همسًا خافتًا قبل صرخة مدوية: المستعر الأعظم لم ينفجر بعد، لكنه يرسل إشارة عن موته الوشيك. على الأرض توجد كاشفات قادرة على التقاط هذا الهمس.

عندما ينفجر نجم ضخم كمستعر أعظم المستعر الأعظم، تصطدم مادته بسرعة آلاف الكيلومترات في الثانية بالغلاف المحيط من الغبار الكوني والغاز — وكأنها تصطدم بمعطف غير مرئي يلف النجم. عند هذا التصادم، تضغط موجة الصدمة المادة وتُسخنها، مولدةً أعدادًا هائلة من النيوترينوات — جسيمات شبحية لا تكاد تتفاعل مع المادة.

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.

عندما تُبرَّد سحابة من الذرات إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، يمكنها الدخول في حالة كمومية موحدة، حيث تتصرف كمجموعة منسقة. إذا وُلد في مثل هذه السحابة نيوترينو — وهو جسيم شبح لا يتفاعل تقريبًا مع المادة — فإنه عادةً ما يفلت دون أن يُلاحظ.

ينطلق الإلكترون من نواة التريتيوم بطاقة مقدارها 18.57 كيلوإلكترون فولت، تاركًا خلفه شريكًا غير مرئي، وهو النيوترينو. إذا كان لهذا النيوترينو وصول إلى البعد الخامس، فإن كتلته تنقسم إلى برج كامل من الحالات، وكل حالة منها تقتطع قطعة من الطيف.