تجارب فيزياء الطاقة العالية hep-ex

في مختبر جيفرسون، تُسرَّع الإلكترونات إلى 12 GeV وتصطدم بالبروتونات لانتزاع أسرارها. لكن الكواشف الحالية تشبه كاميرات ذات مجال رؤية ضيق: إما أن ترى الكثير ولكن بشكل باهت، أو ترى بوضوح ولكن جزءًا صغيرًا جدًا. التشتت الإلكتروني هو الأداة الرئيسية، لكن الإحصائيات غير كافية للتأثيرات الدقيقة. المطياف الجديد SoLID (Solenoidal Large Intensity Device) يغير قواعد اللعبة.

في مصادم الهادرونات الكبير، تولد ملايين النفاثات كل ثانية، وهي تدفقات من الجسيمات تنبثق من كوارك أو غلوون واحد. التمييز بين نفاثة ناتجة عن كوارك قمة ونفاثة ناتجة عن كوارك عادي هو مهمة يتوقف عليها البحث عن فيزياء جديدة. تستطيع الشبكات العصبية المحوِّلة الحديثة القيام بذلك بدقة عالية، لكنها تدفع ثمن ذلك بعدد هائل من المعاملات والحسابات.

في مختبر مظلم، حيث تُبرَّد الرقائق فائقة التوصيل إلى أجزاء من الألف من الكلفن، يدور الكيوبت تحت تأثير مجال مغناطيسي. الكيوبت العادي يدور في اتجاه واحد. أما المضاد-كيوبت — توأمه المرآتي — فيدور في الاتجاه المعاكس. معًا يشكلان زوجًا يحسّ المجال بدقة مضاعفة مقارنة بأي زوج عادي. البوزيترون — الجسيم المضاد للإلكترون — له عزم جيرومغناطيسي بنفس القيمة المطلقة لكن بإشارة معاكسة.

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.

في عام 2016، سجّل كاشف LHCb في مصادم الهادرونات الكبير ملايين التصادمات بين البروتونات. بين حطام هذه التصادمات وُلدت ب-ميزونات محايدة، وهي جسيمات يمكنها تلقائيًا التحول إلى جسيماتها المضادة والعودة. لقياس هذا التحول، يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة هوية الجسيم عند لحظة الولادة: هل هو مادة أم مادة مضادة؟ تُعرف هذه المهمة بوسم النكهة (flavour tagging).

يولد ميونان في اضمحلال ميزون إيتا وينطلقان مترابطين عبر التشابك الكمي. تجري أليس، إحدى الباحثتين، قياسًا لدوران الميون السالب، بينما يسجل بوب اتجاه البوزيترون الناتج عن اضمحلال الميون الموجب. يبدو للوهلة الأولى أن ترتيب الأحداث يجب أن يؤثر على الارتباطات. لكن الحسابات تُظهر عكس ذلك.

لمدة 36 يوماً، اجتاح الإعصار المداري فريدي المحيط الهندي، وهو الأطول عمراً في تاريخ الأرصاد. تابع خبراء الأرصاد الجوية مساره عبر الأقمار الصناعية والطائرات والمحطات الأرضية. لكن تفصيلاً واحداً ظلّ بعيداً عن متناول جميع الأجهزة: الكثافة الدقيقة للهواء في قلب الإعصار. وهي التي تحدّد أين سيتجه الإعصار غداً. يتصرّف تدفّق الميونات مثل ترمومتر يقيس حرارة الجسم كله، وليس مجرد منطقة تحت الإبط.

في عام 1976، طرح الفيزيائي الكندي بيل أونروه سؤالًا بسيطًا: ماذا يرى المراقب الذي يتسارع في الفراغ؟ وكان الجواب غريبًا: الفراغ يتوقف عن كونه فارغًا. المراقب المتسارع ينغمس في إشعاع حراري بدرجة حرارة تتناسب مع التسارع. لتسارع مقداره $$10^{20}$$ g، أي أكبر بمليارات المرات من تسارع الجاذبية الأرضية، تبلغ هذه الدرجة حوالي 4000 كلفن، مثل سطح نجم أحمر. لكنها تولد من فراغ خالص.

في عام 1936، اكتشف عالما الفيزياء فيرنر هايزنبرغ وهانز أويلر، أثناء عملهما على معادلات الديناميكا الكهربائية الكمومية، أمرًا غريبًا. في مجال مغناطيسي قوي بما فيه الكفاية، يجب أن يتوقف الفراغ عن كونه فارغًا. يجب أن يصبح مشابهًا للبلورة: الضوء ذو الاستقطاب الأول سيسير فيه أسرع قليلًا، والضوء ذو الاستقطاب الآخر أبطأ قليلًا.

الميون هو جسيم أولي يشبه قمة دوارة صغيرة تدور في بحر هائج من الفراغ. محوره المغناطيسي — وهو متجه يصف قوة واتجاه المجال المغناطيسي — يشير قليلاً بعيدًا عما يتوقعه النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. الانحراف لا يتجاوز بضعة أجزاء من المليون، لكنه بالنسبة للفيزيائيين لغز كامل، يشير إلى احتمال وجود قصور في النظرية.

في مختبر DESY، أُطلق تجربة ALPS II للبحث عن الأكسيونات — وهي جسيمات افتراضية شبحية قد تتكون منها المادة المظلمة. تعمل هذه الكتلة غير المرئية كهيكل يمنع المجرات من التشتت بفعل الدوران. اكتشاف الأكسيون سيعني اختراقًا لما وراء جدول الجسيمات الأولية الحالي.

المادة المظلمة تشكل 85% من مادة الكون، لكنها تبقى غير مرئية. لا تتجلى إلا عبر الجاذبية. يمكن التقاطها من خلال «صوت» كوني — اهتزاز خافت يسري في الفضاء. لا حول للمستشعر الوحيد هنا: الإشارة أضعف من أن تلتقط. يحوّل الفيزيائيون العديد من المستشعرات إلى مجموعة كمومية. يربطونها بحالة جماعية خاصة — كما تُضبط آلات الكمان على نغمة واحدة.

شمسنا الشمس هي أقوى مصدر طبيعي للنيوترينوات النيوترينو، وهي جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. أثناء مرورها عبر المادة الشمسية الكثيفة، تتعرض هذه الجسيمات لتذبذبات — تغير نوعها، أو كما يقول الفيزيائيون، «نكهتها» (نيوترينو إلكتروني، ميوني، تاو النيوترينو). تخيل صوتًا يمر عبر حشد من الناس: كلما كانت البيئة أكثر كثافة، كان تشوه الجرس الصوتي أقوى.

النجم النيوتروني هو بقايا مضغوطة لنجم ضخم: المادة فيه مضغوطة لدرجة أن جبلًا بحجم كشتبان يمتلك كثافة هائلة. إذا تراكمت داخل هذا الجسم المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة غير المرئية التي يُعتقد أنها تمنع المجرات من التمزق بفعل جاذبيتها — فإن هذا التراكم يصبح مميتًا في ظل ظروف معينة.

في مطياف ضخم في كارلسروه، يشبه برميلًا معدنيًا عملاقًا، تُصطاد جسيمات يكاد يستحيل الإمساك بها. النيوترينوات هي أشباح العالم الصغير: في كل ثانية، تمر تريليونات من هذه الجسيمات عبر جسمك دون أن تشعر بها. لكن لها كتلة، ويسعى العلماء إلى قياسها. لتحقيق ذلك، تستخدم تجربة KATRIN غاز التريتيوم المشع. عندما تضمحل ذرته، ينبعث إلكترون ونيوترينو.

في غرفة مظلمة، يوجد خزان مليء بالأرغون السائل. أحيانًا يمر عبره جسيم غير مرئي، يصطدم بنواة ذرة، فيتوهج وميض خافت في السائل. من خلال هذا الوميض يحاول الفيزيائيون فهم من هو هذا الزائر. ربما هو جسيم من المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة التي تشكل معظم كتلة الكون، لكن لم يرها أحد قط. كاشف DarkSide-50 هو مثل هذا الخزان، لكنه صغير: يحتوي على 46 كيلوغرامًا فقط من الأرغون.

المادة المظلمة غير مرئية، لكنها وفقًا للحسابات هي التي تربط المجرات ببعضها. التقاط جسيماتها يشبه سماع همس في غرفة صاخبة. نحتاج إلى مادة تستجيب لأدنى دفعة بصوت عالٍ وواضح. قد تكون المغناطيسات الجزيئية هي هذه المادة — مواد يعمل فيها كل جزيء كمغناطيس مستقل. على عكس المغناطيس العادي، تعتمد خصائصها المغناطيسية على الجزيئات الفردية، ويمكن ضبطها كيميائيًا.

المادة المظلمة هي مادة غير مرئية، كتلتها أكبر بنحو خمس مرات من كتلة المادة العادية (الباريونية). جسيماتها الافتراضية تتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع الذرات: فهي تخترق المادة دون أن تترك أثرًا تقريبًا، لكنها قد تتناثر أحيانًا على إلكترون — تمامًا كما تلامس نسمة ريح وترًا مشدودًا فتُحدث اهتزازًا بالكاد يُلحظ.

النيوترينوات هي أكثر الجسيمات المعروفة صعوبة في الإمساك. كل ثانية، تمر تريليونات النيوترينوات القادمة من الشمس عبر جسمك، لكنك لا تلاحظ ذلك: فهي بالكاد تتفاعل مع المادة. لالتقاط ولو واحد منها، يبني الفيزيائيون كواشف ضخمة — أحواضًا من الماء أو الأرجون السائل في أعماق الأرض. عندما يصطدم نيوترينو بنواة ذرة، فإنه يقتلع منها جسيمًا، ومن أثر هذا الجسيم يمكن فهم ما حدث.

في غرفة مظلمة، يمكن ملاحظة توهج أزرق خافت حول بعض مصادر الإشعاع. هذا هو إشعاع تشيرنكوف (Cherenkov radiation) — يظهر عندما يتحرك جسيم مشحون عبر وسط أسرع من سرعة الضوء في ذلك الوسط. وينتج عن ذلك موجة صادمة ضوئية، تشبه الدوي الصوتي الناتج عن طائرة أسرع من الصوت، لكنها مكوّنة من فوتونات.

ثقبان أسودان يدوران حول بعضهما البعض، ورقصهما ليس دائمًا كالفالس المنتظم. إذا كان الثقبان يدوران حول محورهما، فقد يبدأ مدارهما في التقلب — مثل قمة دوارة دُفعت فتميل إلى الجانب مع استمرار دورانها. هذا التقلب يغير الموجات التي تنتشر عبر الفضاء، ومن خلال هذه التغييرات يمكن معرفة الكثير: كيف وُلد هذان الثقبان، وكيف يتمدد الكون، وما إذا كانت النظرية النسبية العامة صحيحة.

المادة المظلمة هي مادة غامضة تزيد كتلتها خمس مرات عن المادة العادية، لكنها لا تصدر ولا تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي. ولا يزال طبيعتها أحد أكبر الألغاز غير المحلولة في الفيزياء. ومن بين المرشحين لجسيمات المادة المظلمة نجد الأكسيونات، وهي جسيمات فائقة الخفة قادرة على اختراق كوكب بأكمله دون أن تتفاعل تقريبًا مع الذرات.

يُطلق قمّتان دوّارتان في وقت واحد وفي اتجاهين متعاكسين. إذا دارت إحداهما يسارًا، تدور الأخرى يمينًا دائمًا — مهما ابتعدت إحداهما عن الأخرى. هكذا تقريبًا يعمل التشابك الكمومي، لكن بدل القمم لدينا كواركات القمة، أثقل الجسيمات المعروفة.

داخل البروتونات المسرَّعة إلى سرعة تقارب سرعة الضوء، يُولد أحيانًا جسيم أثقل من ذرة الذهب، وهو كوارك القمة. يعيش هذا الجسيم أجزاء من الثانية فقط ثم يضمحل، تاركًا أثرًا في كاشف أطلس (ATLAS). جمع الفيزيائيون هذه الآثار على مدى أربع سنوات لفهم مدى تكرار ظهور كوارك القمة ونقيضه المرآتي، كوارك الضديد.

الماء في الغلاية يُسخَّن حتى مئة درجة — فيتوقف عن كونه ماءً ويتحول إلى بخار. شيء مشابه يحدث لنوى الذرات عندما تُصطدم بسرعات هائلة في مصادم الهادرونات الكبير. عند درجة حرارة عالية بما يكفي، تفقد البروتونات والنيوترونات التي تتكون منها النوى شكلها وتتفكك إلى كواركات وغلوونات حرة — وهي جسيمات تُحتجز عادة داخل البروتونات.

المادة المظلمة هي مادة غير مرئية تربط المجرات ببعضها لكنها لا تصدر ضوءًا. التقاط جسيماتها يشبه سماع همس في قاعة صاخبة. الكاشفات العادية لا تسمع إلا الضربات العالية، بينما تغرق الإشارات الضعيفة في الضوضاء. في الأرجون السائل، عندما يصطدم جسيم المادة المظلمة بنواة ذرة، يُحدث شرارة ضوئية وسحابة من الشحنات. لكن عند الارتطام الضعيف، تكون الشرارة خافتة بالكاد.

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.

في أعماق مختبر تحت الأرض، ينتظر كاشف بحجم غرفة حدثاً قد يقع مرة كل مئة مليار مليار سنة. إنه اضمحلال بيتا المزدوج من دون نيوترينوات — عملية من شأنها أن تنتهك أحد القوانين الأساسية في الفيزياء. وللإمساك به، نحتاج إلى صمت تام: لا ذرة مشعة زائدة واحدة في مواد الكاشف.

داخل معجل الجسيمات الكبير، يسود وابل غير مرئي من أشعة غاما — وكأن خيطًا زجاجيًا تُرك تحت جهاز أشعة سينية يعمل لسنوات. الإلكترونيات العادية هناك تتعطل بسرعة، ويجب نقل البيانات من الكاشف إلى الخارج بطريقة ما. الحل هو الألياف البصرية: خيط زجاجي رفيع يجري فيه الضوء.

الكون مليء بـالمادة المظلمة غير المرئية، التي لا تكشف عن نفسها إلا من خلال الجاذبية. اشتبه في وجودها فريتز زفيكي، وأكدته فيرا روبين. لكن يبقى اللغز: من أي 'مكونات' تتكون، وبأي وصفات تختلط مع المادة العادية.

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.

لكل ذرة "صوتها" الخاص — تردد الضوء الذي تُصدره. وبين النظائر — وهي ذرات تختلف في عدد النيوترونات — تختلف الأصوات قليلاً. الأمر أشبه بجوقة: إن كنت تعرف النوتة الموسيقية بدقة، فإن أي نشاز بسيط يكشف عن تدخل خارجي. مخطط كينغ هو وسيلة لمقارنة مدى تناغم نغمتين من نظيرين مختلفين.

عندما يُنتَج كوارك القمة داخل كاشف الجسيمات، يتحلل فورًا إلى وابل كامل من الجسيمات الأخرى. إن التقاط إشارة إلى فيزياء جديدة في هذا الوابل يشبه سماع همسة في حفلة موسيقية صاخبة. لا يتطلب الأمر مجرد ميكروفون جيد، بل القدرة على طرح ضجيج مكبرات الصوت وضجيج الجمهور.

داخل المبرّد الذي يبرّد المادة إلى ما يقارب الصفر المطلق، ينبض قلب ميكانيكي — وهو الأنبوب النبضي. يضخ الغاز ويسحب الحرارة، لكنه مع البرد يجلب الاهتزاز. كل نبضة من هذا القلب تهزّ الأجهزة الموضوعة بجوار العينة وتفسد القياسات الدقيقة. سابقًا، كان يمكن ملاحظة هذا الاهتزاز فقط من الخارج، أما في الداخل — عند ثمانية أجزاء من الألف من الدرجة فوق الصفر — فكانت المقاييس تتعطل.

قطعة جرمانيوم عادية بحجم كف اليد يمكنها رصد مرور جسيم واحد من المادة المظلمة عبرها. لكن لهذا يجب أن تكون البلورة شبه مثالية: بدون ضوضاء كهربائية، وبحقل داخلي منتظم، وبتماسات لا تُصدر شرارات عند الجهد العالي. في العمل الجديد، تم بناء كاشف KL01. على أحد جانبي البلورة، وُضع طلاء الليثيوم ودُمج بالحرارة — مما أنتج تماسًا يتحمل الجهد جيدًا.

الميون (muon) يشبه الإلكترون لكنه أثقل منه بـ 207 مرات. عندما يخترق المادة، يتباطأ مثل رصاصة في كثيب رملي، وعند كل انحناء في مساره يصدر أشعة سينية. من خلال هذه الأشعة يمكن معرفة الذرات التي صادفها الميون — وهذه هي طريقة عمل تقنية تسمى MIXE. تتيح هذه التقنية النظر داخل جسم ما دون تفكيكه، مثل أشعة سينية للمواد.

في كاشف مصادم الهادرونات الكبير، بعد كل اصطدام للبروتونات تبقى آلاف النقاط — آثار الجسيمات المتطايرة. تعلمت شبكة عصبية أن ترى في هذا النمط قوانين وتتنبأ بما حدث لحظة الاصطدام. الآن دربت نفس الشبكة على النظر إلى الجزيئات: بدل آثار الجسيمات — مواقع الذرات، وبدل الاصطدام — كيف ستتحرك هذه الذرات وتتفاعل.

الألماس ليس مجرد حليٍّ للزينة. فهذه البلورة قادرة على توصيل الكهرباء عندما تظهر فيها حاملات شحنة حرة: إلكترونات وثقوب. ولكن ما مدى سرعة حركتها؟ في الأوراق العلمية، تختلف الأرقام بعشرات المرات. مختبرٌ ما يبلغ عن سرعة مقدارها 1000 سم²/(فولت·ثانية)، بينما يذكر آخر 4000. لماذا هذه الفوضى؟ قامت مجموعة من الباحثين بجمع بيانات من منشورات عديدة ووجدت ثلاثة أسباب رئيسية للارتباك.

في معجل الجسيمات في بكين، يتم تصادم الإلكترونات مع البوزيترونات، وفي لحظة قصيرة يولد جسيم يسمى إيتا-سي. يعيش هذا الجسيم لجزء ضئيل من الثانية ثم يتحلل إلى جسيمات أخرى. واحدة من أندر الطرق هي أن يتحلل إلى فوتونين، وهما جسيمات الضوء. حتى الآن، لم يتمكن أحد من تحديد عدد المرات التي يحدث فيها هذا بدقة.