ثورةٌ معرفيّةٌ حقيقية أنتجتها دراسة العالَم دون الذرّي؛ إذ منحت البشرية فهمًا أعمق لقوانين الكون، ورؤىً غير مسبوقة مصحوبةً بأسئلة جوهرية. صحيحٌ أن المجال الفلسفيّ عبر التاريخ تبنّى أسئلةً من قبيل: كيف انبثق الكون إلى الوجود؟ لماذا الكون على الحال التي هو عليها؟ لماذا يوجد شيءٌ ما عوضًا عن العدم؟

لكن آن للفلسفةِ أن تتنحى جانبًا بعدَ تقدّم العلم الكبير في بناء المعدات التي تساعدنا في الإجابة عن هذه الأسئلة. هذه فكرةُ «دون لينكلن» العالِم الفيزيائي والباحث في مختبر «فيرمي لاب» الوطني، والتي يطرحها في مقاله الأخير المنشور على موقع «لايف ساينس»، ويتحدث فيه عن تجربةٍ فيزيائية جديدة، تتضمن إطلاق الجسيمات الشبحية المسمّاة «نيوترينو» عبر الأرض على مسافة تقارب الـ1300 كيلومتر من أحدِ المختبرات الفيزيائية، وصولًا إلى مختبرٍ فيزيائي آخر.

إلى ماذا تسعى هذه التجربة الفيزيائية؟

يبدأ الكاتب مقاله بالحديث عن الخبر العلميّ الأخير، إذ أعلنت مجموعةُ دوليةٌ من علماء الفيزياء عن مشاهدتهم الإشارات الأولى في الكاشف المكعب الشكل، والذي يطلق عليه «ProtoDUNE» (پروتودون، أو طليعة دون)، وهي نقطة انطلاق كبيرة لتجربة «دون» والتي ستكون البرنامج الرائد لأبحاث فيزياء الجسيمات في الولايات المتحدة على مدى العقدين المقبلين (تجربة «DUNE» هي اختصار لمسمّى: Deep Underground Neutrino Experiment، ويعني: تجربة النيوترينو عميقًا تحت الأرض).

فيديو لكواشف پروتودون وشرح للتجربة من قِبل مختبر فيرمي لاب

يبلغ حجم كاشف «پروتودون» منزلًا بثلاثة طوابق، ويعتبر نموذجًا أوليًا للكواشف التي ستُستخدَم في تجربة «دون» لاحقًا. ويوضح إعلان العلماء الذي صدر في يوم 18 سبتمبر (أيلول) أن التقنية المُختارة تعمل بالفعل.

ستكون كواشف «دون» موجودةً ضمن مختبر مسرّع فيرمي الوطني «فيرمي لاب» خارج مدينة شيكاغو مباشرةً، وكذلك في ﻣﺮﻓﻖ ﺳﺎﻧﻔﻮرد ﻷﺑﺤﺎث ﺗﺤﺖ اﻷرض «سيرف» في مدينة ليد في داكوتا الجنوبية. حينما يحين وقت التجربة ويتم البدء بها، سيشكّل مسرّع الجسيمات القوي في «فيرمي لاب» حزمةً مكثفة من جسيمات نوترينو دون الذريّة، ومن ثم إطلاقها حرفيًّا عبر الأرض، ليتمّ رصدها في مختبر «سيرف».

ستقطع جسيمات النيوترينو مسافة 1300 كم تقريبًا، عبر الأرض ما بين المختبرين. مصدر الصورة: فيرمي لاب

يغيّر هويته!

يذكّر الكاتبُ بالخاصيّة الأخرى لجسيمات نيوترينو والتي تجعلها مثيرةً للاهتمام ضمن لغز المادة المضادة المفقودة، ألا وهي قدرتها على التحوّل بسلاسة من هويّة إلى أخرى. وجد العلماء ثلاثة أنواع متميزة من جسيمات النيوترينو. يرتبط أحد الأنواع بالإلكترونات ويسمى نيوترينو الإلكترون، فيما يرتبط الاثنان الآخران بجسيمين دون ذريين آخرين، وهما (ميون) و(تاو)، وهما أبناء عمومة ثقيلان للإلكترون.

إذا ما بدأتَ بحفنةٍ من نيوترينوات الإلكترون ومن ثم نظرتَ إليها بعد قليل؛ ستجد أن هنالك نيوترينوات إلكترون أقل من البداية، ولكن بالمقابل هنالك ما يكفي من نيوترينوات الميون ونيوترينوات التاو بما يكفي لتعويض ذلك النقص. النيوترينوات لا تتحلل أو تذوي، بل تتحول إلى الأنواع الأخرى.

زوار ينظرون إلى كاشف جسيمات في منشأة «سيرن» الأوروبية

الأمر مشابهٌ لأن يكون لديك غرفة مليئة بـ100 من الكلاب، وحينما تنظر إليها لاحقًا تتفاجأ بوجود 80 كلبًا و17 قطةً و3 ببغاوات. وحتى إذا ما نظرتَ في وقتٍ لاحق، ستكون هنالك تشكيلةٌ مختلفةٌ بانتظارك.

يدعو العلماء تحول النيوترينو هذا بـ(التذبذب) وهو أيضًا من الفيزياء الراسخة الآن. اشتبه العلماء بشأنه منذ الستينات، ومن ثم تيّقنوا من حقيقة وجوده في عام 1998، وتوصلوا إلى البرهان عام 2001. اكتشاف تذبذب النيوترينو استحقّ جائزة نوبل للفيزياء في عام 2015.

تعاونٌ دوليّ لمستقبلٍ معرفي أفضل

لتجربة «دون» أهدافٌ بحثية متعددة، لكن أكثرها إلحاحًا ربما يكون قياس تذبذب النيوترينو أولًا، ومن ثم قياس تذبذب النيوترينو المضاد. إذا تبيّن اختلافهما، ربما يساعدنا فهم العملية بمزيدٍ من التفصيل على الوصول للسبب الذي يجعل الكون مكونًا حصريًا من المادة. وباختصار قد يفسر في النهاية سبب وجودِنا أصلًا.

ستتألف تجربة «دون» من مجمّعين للكواشف، الأصغر منهما في «فيرمي لاب»، والأربعة الأكبر تقع في «سيرف». سيغادر شعاع النيوترينوات من فيرمي لاب متجهًا نحو الكواشف البعيدة في مختبر سيرف. وسيتم قياس نسب أنواع النيوترينو المختلفة في الكواشف الموجودة في كلٍّ من المختبرين. سيتم قياس الاختلافات الناجمة عن تذبذب النيوترينو، ومن ثم سيتم تكرار العملية نفسها للنيوترينو المضاد.

تتضمن التقنية التي سيتم استخدامها في تجارب «دون» أحواضًا كبيرة من الأرجون السائل، والتي تتفاعل فيها النيوترينوات وبالتالي يتم رصدها. سيكون كلّ من الكواشف الأضخم الموجودة في «سيرف» بارتفاعِ وعرض مبنى من أربعة طوابق وأطول من ملعب كرة قدم. وسيحتوي كل واحدٍ منها على 17000 طن من الأرجون السائل.

أما كاشف «پروتودون» فهو نموذجٌ أصغر بكثير، يحوي فقط على 800 طن من الأرجون السائل. وهو حجم كبيرٌ بما فيه الكفاية ليشمل بيتًا صغيرًا.

التعاون لأجلِ تجربة «دون» يتمّ على نطاقٍ عالميّ، مستقطبًا الباحثين من جميع أنحاء العالم. ففي حين أن «فيرمي لاب» هو المختبر المضيف لكن مختبراتٌ دولية أخرى تشارك أيضًا. المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات «سيرن» هو أحد تلك المنشآت، ويقع خارج جنيف في سويسرا. إذ يوجد كاشف «پروتودون» فيه، يزيد هذا من ترسيخ العلاقة الطويلة بين المختبرات. على سبيل المثال: شارك «فيرمي لاب» منذ فترة طويلة في الأبحاث، من خلال استخدام البيانات التي يسجّلها مصادم الهيدرونات الكبير في «سيرن». تعد تجربة «دون» الاستثمار الأول لـ«سيرن» في تجربةٍ تُجرى في مختبرٍ في الولايات المتحدة.

مُستقبَلٌ واعِد

الإعلان العلميّ الأخير إعلانٌ كبير، يدلّ على أن تقنيّة الأرجون السائل – والتي ستشكّل قلب تجربة «دون» – كانت خيارًا جيدًا. سيبدأ كاشف «پروتودون» ثاني خلال بضعة أشهر، يعتمد الإصدار الثاني تقنيّة مختلفة قليلًا لمراقبة مسارات الجسيمات الناتجة عن تفاعلات النيوترينو النادرة. نتائج اختبارات هذين الكاشفين ستوجّه العلماء إلى قرارٍ بشأن التصميم النهائي لمكوّنات الكاشف، سيتمّ بناء «دون» خلال العقد القادم، ومن المقرر تشغيل نماذج الكواشف الأولى في عام 2026.