ليبتون تاو

في خزان يحوي ثلاثة أطنان من الزينون السائل، مدفونًا في أعماق الأرض، تحرك شيء ما ذات مرة. ليس الزينون نفسه، بل إحدى نواته الذرية: تلقت دفعة بطاقة 248 ألف إلكترون فولت وارتدت، مثل كرة بلياردو أصابتها كرة غير مرئية.

عالياً في الجبال، حيث الهواء نقي وهادئ، يستعد الفيزيائيون لاصطياد ضيوفٍ خفيّين من الفضاء — النيوترينوات. هذه الجسيمات، مثل الأشباح، تخترق الأرض دون أن تترك أثراً يذكر. لكن أحياناً يصطدم نيوترينو بذرة، مولّداً وابلاً من الجسيمات يمكن رؤيته. النيوترينوات ثلاثة أنواع (نكهات): إلكترونية، وميونية، وتاو-نيوترينو.

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.

في عام 2021، رصد مرصد LHAASO كمات جاما بطاقة تزيد عن بيتا إلكترون فولت من مصادر مثل سديم السرطان — بقايا انفجار مستعر أعظم، في مركزه ينبض نجم نيوتروني. سافرت هذه الجسيمات آلاف السنين، ومجرد وصولها يشكك في ثبات ثبات لورنتز — المبدأ الذي ينص على أن سرعة الضوء في الفراغ مطلقة ومتساوية لجميع المراقبين.

في أعماق النجم النيوتروني — بقايا نجم منفجر — تكون المادة مضغوطة لدرجة أن ملعقة صغيرة تزن مليارات الأطنان. ربما تعمل بين هذه المادة فائقة الكثافة قوة خاصة لا تمس إلا نيوترينوات الميون والتاو. هذه القوة تنبأت بها بعض الامتدادات النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

تاو-ليبتون هو جسيم قصير العمر، قريب ثقيل للإلكترون. عندما يضمحل، تتبادل الكواركات داخله الغلوونات، كما لو كان لاعبان في غرفة مغلقة يتبادلان الكرة. لا تُرى الرميات نفسها، بل يُلاحظ فقط النتيجة النهائية — بيونان يتطايران بزوايا معينة. سابقًا، لفهم قواعد اللعبة، كان على الفيزيائيين التكهن بما يحدث في الغرفة وبناء نماذج معقدة للتفاعل القوي. وجد مؤلفو المقال حيلة ذكية.

الإلكترون وقريبه الأثقل، الميون، يتصرفان كمغناطيسات صغيرة. عزومهما المغناطيسية بوحدات خاصة تتجاوز قليلاً الرقم 2، وهذا «الجزء الزائد» يسمى العزم المغناطيسي الشاذ. ينشأ من الغليان المستمر للفراغ الكمومي: أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة تظهر وتختفي للحظات، مما يخلق تموجات تساهم في المغناطيسية.

على كفة ميزان نضع كل مادة الكون، وعلى الكفة الأخرى كل مادة مضادة. وفقًا لقوانين الفيزياء، كان ينبغي أن تتوازن الكفتان لحظة ولادة الكون. لكننا نرى أن إحدى الكفتين ترجحت: حولنا نجوم وكواكب وبشر، بينما لا توجد مادة مضادة تقريبًا. هذا الاختلال هو أحد أعظم الألغاز.

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.

محطة قطار صاخبة في ساعة الذروة. آلاف الأشخاص يسرعون، والأصوات تندمج في همهمة واحدة. وفي مكان ما وسط هذا الزحام، يحاول شخصان أن يتصافحا بمصافحة خاصة بالكاد تُلاحظ. رصد مثل هذه المصافحة شبه مستحيل.

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.

في مسرع SuperKEKB تُصطدم الإلكترونات مع البوزيترونات، وبين الحطام تُعثر على بوزونات B. هذه الجسيمات الثقيلة لا تعمر طويلاً وتتفكك إلى جسيمات أخف. مؤخرًا، رصد كاشف Belle II عددًا مريبًا من الحالات التي يتحول فيها بوزون B إلى بوزون K (كاون) وشيء غير مرئي — بزيادة قدرها 2.7 سيغما عن المتوقع. الأمر أشبه بخباز يزن أرغفة الخبز ويجد في كل مرة زيادة 30 غرامًا عن المعتاد — قد يبدو الأمر تافهًا، لكنه منهجي.

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.

سقوط عملة معدنية على حافتها — بهذه الندرة تقريبًا يضمحل بَيون ثقيل إلى بيون خفيف وزوج إلكترون-بوزيترون. على مدى عقد من تشغيل المصادم، لم تُجمع سوى حفنة من هذه الأحداث، لكن الفيزيائيين تمكنوا أخيرًا من رصدها. احتمال الاضمحلال بلغ حوالي 2.4×10⁻⁸.

سرعة الضوء في الفراغ هي إيقاع الفيزياء: تضبط نسق جميع العمليات. إذا اختل هذا الإيقاع، ينهار الانسجام المألوف. والنيوترينوات — تلك الجسيمات المنتشرة في الكون لكنها شبه خفية — قادرة على اختبار ما إذا كان هذا الإيقاع يضطرب في الظروف القاسية. ستصطاد كواشف المستقبل GRAND و POEMMA أعلى طاقات النيوترينو، حيث يظهر أي انحراف بشكل أوضح.

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.

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).

اصطدام نواتي رصاص في مصادم الهادرونات الكبير يشبه رمي كيسين ثقيلين مملوءين بالكرات على بعضهما البعض. عادةً، تتناثر الكرات في كل اتجاه، لكن في بعض الأحيان يمر أحد الكيسين قريبًا جدًا بحيث لا تتصادم الكرات، بل تتبادل النظرات فقط.

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 الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم، أعدّ الكون مزيجًا من الهيدروجين والهيليوم وقليل من الليثيوم. لكن الوصفة أصابها خلل: فبحسب حسابات جورج غاموف ورالف ألفر وفريد هويل، يجب أن يكون الليثيوم أكثر بثلاث مرات مما يراه الفلكيون.

الموصل الفائق الصغير، المحلق فوق مغناطيس، هو أشبه بقطعة فلّين على سطح محيط غير مرئي. أدنى هبة من المادة المظلمة تجعله يرتجف. نظر العلماء في نوعين من هذه 'الرياح'. الأول — الموجات الثقالية، التي تمدد وتضغط الفضاء نفسه، مثل تموجات في نسيج الكون. الثاني — هبات مغناطيسية تحرض تياراً مباشرة في الحساس المحلق.

تاو-ليبتون هو قريب ثقيل للإلكترون، يعيش أقل من تريليون جزء من الثانية. عادةً ما يتحلل إلى جسيمات أخف، لكنه لا يتحلل أبدًا إلى ثلاثة ميونات دفعة واحدة: هذا الانتقال محظور بالقوانين المعروفة لفيزياء الجسيمات. إذا حدث، لكان ذلك يعني أن قوى غير معروفة تعمل في الطبيعة.

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 كاشف أطلس (ATLAS) بمصادم الهدرونات الكبير، تترك الجسيمات آثارًا مثلما يترك المتزلجون آثارًا على الثلج. بعض الآثار تنقطع بعد بضعة سنتيمترات — هكذا قد يبدو أثر جسيم وُلد، وطار قليلًا، ثم اضمحل إلى شيء غير مرئي. بحث الفيزيائيون تحديدًا عن هذه "الآثار المتلاشية" في بيانات تصادمات البروتونات بطاقة 13 تيرا إلكترون فولت.

في مصادم الهادرونات الكبير، لا تُصطدم البروتونات فحسب، بل أيضًا نوى الذرات كاملة. عند اصطدام نواتين بسرعة هائلة، ينشأ حجم ضئيل من مادة فائقة الحرارة — ساخنة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات فيها تذوب وتتحول إلى «حساء» من الكواركات والغلوونات. وعبر هذا الحساء، كما لو كان وسطًا كثيفًا، تشق الجسيمات السريعة طريقها.

في كاشف CMS بمصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات بطاقة هائلة، مما ينتج عنه العديد من الجسيمات. معظمها يتحلل على الفور تقريبًا، مباشرة عند نقطة التصادم. لكن بعض الجسيمات الافتراضية، إذا كانت موجودة، قد تعيش لفترة أطول بشكل ملحوظ — فتقطع بضعة سنتيمترات أو حتى أمتار قبل أن تتحلل.

حجر صغير يسقط في بركة، فتنتشر دوائر على سطح الماء. لكن في بعض الأحيان، لا يغوص الحجر فورًا إلى القاع: بل ينزلق تحت السطح، ويقطع عدة أمتار، ثم يطفو أخيرًا، مولدًا دوائر في مكان غير متوقع. هكذا يبحث الفيزيائيون عن الجسيمات طويلة العمر: فهي تولد في تصادم البروتونات، وتطير عبر الكاشف دون أن تُلاحظ، ثم تتحلل إلى جسيمات عادية بعيدًا عن نقطة ولادتها.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده النووي الحراري، ينهار قلبه، وتُقذف طبقاته الخارجية في انفجار هائل — مستعر أعظم (المصطلح الذي أدخله فريتز زفيكي أثناء دراسته لهذه الكوارث). في المركز يبقى نجم نيوتروني — جسم بحجم مدينة، لكنه مضغوط بكثافة هائلة: كتلة تتجاوز كتلة الشمس معبأة في كرة قطرها حوالي 20 كيلومترًا.

في ثلاثينيات القرن العشرين، أدرك فولفغانغ باولي أن توازن الطاقة في النجوم لا يستقيم دون جسيمات صغيرة شبحية. وهكذا دخلت النيوترينوات إلى الفيزياء — وهي كائنات عابرة بالكاد تتفاعل مع المادة، تخترق كل شيء حولنا. ولتفسير قدرتها على التحول إلى بعضها البعض (التذبذبات)، يجب أن تمتلك النيوترينوات كتلة غير صفرية.

عالياً فوق الغطاء الجليدي لأنتاركتيكا، ظل بالون يحمل كاشفًا معلقًا لمدة عشرين يومًا. كان يلتقط جسيمات صغيرة جدًا، ظلت تحلق نحونا لملايين السنين قادمة من انفجارات نجمية بعيدة. الآن، فك العلماء حمولته وأخبرونا عن الطاقة التي حملتها البروتونات ونوى العناصر المختلفة. اتضح أن الجسيمات ليست كلها متشابهة.