تيرا إلكترون فولت

في عام 1054، اشتعل نجم في كوكبة الثور. كان ضوء موته ساطعًا لدرجة أنهم رأوه نهارًا لمدة شهر تقريبًا، وسجّله علماء الفلك الصينيون في سجلاتهم. اليوم، ينتشر في ذلك المكان سديم السرطان سديم، وكلّيبتاه هما سُحب غازية ما زال النجم الميت في مركزه يسرّعها. يدور النجم ثلاثين دورة في الثانية، ويقذف جسيمات في الفضاء بقوة تجعلها تتوهج مثل سلك محمّى.

تمر الحزمة البروتونية الموجهة نحو الورم عبر الأنسجة الرخوة كالسكين في الزبدة، لكن مداها يعتمد على خصائص دقيقة للماء الذي يتكون منه جسمنا في الغالب. الماء هو المكوّن الرئيسي للجسم، ومقدار التباطؤ الذي تتعرض له البروتونات فيه يحدد أين ستفقد طاقتها بالضبط.

الماء الساخن بعد الاستحمام، والهواء الدافئ من التهوية، وجدران المحرك الساخنة — كلها حرارة منخفضة الجهد بدرجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية. عادةً ما تتبدد في البيئة دون أن تؤدي عملًا مفيدًا. الآن ظهرت تقنية تسمح بالتقاط هذه الحرارة وتحويلها إلى كهرباء. داخل الجهاز الجديد يوجد سلك من سبيكة النيكل-تيتانيوم. هذه المادة تمتلك تأثير ذاكرة الشكل: عند التسخين تنكمش، وعند التبريد تعود إلى طولها الأصلي.

يشبه الكون أحيانًا قماشًا قديمًا: بعد التبريد السريع، ربما بقيت فيه تجاعيد — خيوط رفيعة شبه خفية بكثافة هائلة. تُسمى هذه الأوتار الكونية. عادةً، يختبئ في مركز مثل هذا الوتر تفرّد — نقطة يكون فيها انحناء الزمكان لانهائيًا، وتفقد قوانين الفيزياء معناها. لكن مؤلفي الدراسة اختاروا نسخة أخرى: وترًا بلا رأس حاد، بمقطع أملس. إنه يشبه أثر قلم حبر جاف — الضغط أقوى في المنتصف وأضعف عند الأطراف.

السر وراء الانكسار الرئيسي في طيف الأشعة الكونية المجرية — الركبة عند 3 بيتا إلكترون فولت — ظل مخبأً قرابة قرن.

غرفة بحجم شاحنة صغيرة مملوءة بالأرجون السائل عند درجة حرارة 186 درجة تحت الصفر. عندما يدخلها جسيم، يقتلع إلكترونات من ذرات الأرجون، فتنجرف نحو الجدران مرسومة صورة ثلاثية الأبعاد للحدث. هكذا تعمل غرفة الإسقاط الزمني بالأرجون السائل — الأداة الرئيسية لمراصد النيوترينوات الحديثة.

في الأوركسترا، يعزف كل موسيقي دوره الخاص، لكن في لحظة معينة تتجمد جميع الآلات على نغمة واحدة. هذا تقريبًا ما تفعله الأشعة الكونية — الجسيمات التي تصل إلينا من نجوم بعيدة.

الكشاف يضيء أكثر فأكثر، لكن عند حد معين تحترق المصباح فجأة ولا يعود الضوء يتدفق. شيئًا مشابهًا رصده علماء الفيزياء الفلكية في النواة المجرية النشطة البعيدة ماركاريان 421. هذه مجرة نشطة ينطلق نفاثها البلازمي الساخن (jet) نحو الأرض تقريبًا تمامًا، مثل شعاع منارة كونية.

قطرة الماء في مجال كهربائي قوي تتمدد. وكذلك تفعل نواة الديوتيريوم — زوج مرتبط من بروتون ونيوترون — لكن المجال هنا ينشأ عن كمية غاما عابرة، وبدلاً من التمدد، قد تتفكك النواة ببساطة إلى أجزاء. في مختبر SLEGS بشانغهاي، تمت دراسة هذه العملية لأول مرة على شبكة كثيفة من الطاقات — من 2.33 إلى 19.65 ميغا إلكترون فولت — وسجلوا عدد المرات التي لا تتحمل فيها النواة.

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.

الأشعة الكونية ليست ضوءًا، بل جسيمات مشحونة تقصف الأرض من كل اتجاه. معظمها بروتونات (نوى الهيدروجين)، ولكن توجد أيضًا نوى أثقل: الهيليوم والنيتروجين والحديد. عندما يصطدم مثل هذا الجسيم بالغلاف الجوي، فإنه يولد وابلًا كاملًا من الجسيمات الثانوية، ومن شكل هذا الوابل يمكن معرفة ما وصل إلينا بالضبط.

يسقط الضوء على لوح سيليكون، فيتولد فيه إلكترون واحد وحيد. الجهاز العادي لن يلاحظ ذلك — فالإشارة هادئة جدًا. الكاشف الجديد لا يسمعها فحسب، بل يحدد طاقتها بدقة تصل إلى 589 ميلي إلكترون فولت. هذا مثل تمييز خطوات نملة على مسافة ذراع ممدودة. داخل الكاشف، يُخرج الجسيم إلكترونًا من ذرة السيليكون. يتطلب ذلك 0.92 إلكترون فولت — وهي قيمة قيست بهامش خطأ يبلغ 0.02 إلكترون فولت.

الأشعة الكونية تشبه المطر الغزير الذي ينهال من كل جانب. لكن ما إن تهب الرياح حتى تغير القطرات اتجاهها. هكذا العاصفة الشمسية - سحابة من الغاز الممغنط من الشمس - تحرف مسار هذه الجسيمات التي تترسب عادة على الأرض بانتظام. الأشعة الكونية رسل غير مرئية من مجرات بعيدة.

في الليل فوق التايغا السيبيرية، يظهر أحيانًا وميض ضوء أزرق خافت. ليس هذا هو الشفق القطبي، بل زخة كونية: جسيم واحد من الفضاء البعيد يصطدم بالغلاف الجوي ويتفتت إلى ملايين الجسيمات الثانوية. تتجه هذه الجسيمات إلى الأرض في جبهة عريضة، مثل موجة من حجر أُلقي في الماء، وتجعل الهواء يتوهج. رصدت منشأتا «تونكا-133» وTAIGA-HiSCORE هذه الوميضات لمدة سبع سنوات.

مثل المتسابقين في سباق طويل، تتسابق نوى الذرات - من الهيليوم الخفيف إلى الحديد الثقيل - عبر المجرة بأكملها نحو الأرض. عند خط النهاية، في الكاشف الموجود على منطاد على ارتفاع عالٍ، نرى أن النوى الثقيلة تصل أكثر إرهاقًا قليلًا من النوى الخفيفة. الفرق صغير، لكنه يتكرر من رحلة إلى أخرى.

في المرفأ الهادئ للفقاعة المحلية — وهي تجويف مخلخل من الغاز الساخن حول الشمس — دوى انفجار مؤخرًا. اشتعل مستعر أعظم على بعد عشرات الفراسخ منا، ولا يزال صداه يتردد في الأرجاء، مغيرًا صورة الأشعة الكونية. لطالما اعتُقد أن تدفق الجسيمات من المجرة منتظم، كضوء مصابيح بعيدة متعددة.

عالياً فوق القارة القطبية الجنوبية، رفع بالون جهازًا لالتقاط الإلكترونات القادمة من الفضاء. تصل هذه الجسيمات من انفجارات نجوم بعيدة وأحداث قوية أخرى. قام الجهاز بقياس طاقتها — أي قوة اصطدامها. وفي أحد نطاقات الطاقة، وُجد أن عدد الاصطدامات أكبر مما توقعته الحسابات. أظهر التحليل الأول للبيانات حدبة عريضة على الرسم البياني: كما لو كان هناك تيار إضافي في تدفق الجسيمات. الآن، تمت معالجة نفس البيانات مرة أخرى بطرق مختلفة.

في تدفق الأشعة الكونية — الجسيمات القادمة إلينا من أعماق المجرة — يُعد التيتانيوم نادر الوجود. فنواته لا تكاد تُفرَّق عن الحديد: فكلاهما ثقيل، وكلاهما يترك آثارًا متشابهة في الكواشف. لكن في تجربة ATIC، وباستخدام مصفوفة سيليكونية، أمكن فصل التيتانيوم عن الحديد وتتبع كيفية تغير نسبتهما مع الطاقة.