من حمى الذهب لأسئلة الكون: منجم في ساوث داكوتا والبحث عن أسرار الكون

تحت الميل في بلاك هيلز، العلماء ببنو كواشف ضخمة عشان يحللو جزيئات النيوترينو – ويمكن يلقو إجابة لسر الوجود

لأكتر من قرن من الزمن، مدينة التعدين ليد، في تلال بلاك هيلز في ساوث داكوتا، كانت بتجذب العمال اللي عندهم شغف بالذهب. هسي، تجربة رائدة بتتبني في المنجم القديم بتجذب العلماء الباحثين عن كنوز أكتر إثارة: إجابات لأعمق ألغاز الكون.

بتبدأ يوم الاثنين إنشاءات تجربة النيترينو العميقة تحت الأرض (ديون) في منجم هومستيك السابق. المهندسين حيبدوا يجمّعوا أربع كواشف ضخمة جوّه كهوف متفجّرة من الصخر على عمق ميل تحت الأرض.

بعد ما يتشغلوا، الكواشف حيتولّع فيهم وميض خفيف ويلمعوا كأنهم بيبرقوا زي الأشباح، والجسيمات المسمّاة نيوترينوات بتمر فيها بسرعة. في منها حتوصل من الشمس ومن السوبرنوفا البعيدة، وفي منها حيجي في شعاع قوي بيتشحن عبر ٨٠٠ ميل (١,٣٠٠ كيلومتر) من الصخر من مختبر حكومي قريب من شيكاغو، إلينوي.

مراقبة النيوترينوات ممكن تكشف علم جديد بالكامل وتوضح حاجات في الكون زي موت النجوم وولادة الثقوب السوداء. والعلماء عندهم أمل كبير يحلوا واحد من أكبر الألغاز في الطبيعة: ليه كل حاجة حولينا مصنوعة من المادة مش توأمها الشرير، المادة المضادة. يعني بكلام تاني، ليه إحنا، وليه أي حاجة، موجودة أصلاً.

«ده وقت كتير مشوّق تشتغل فيه»، كده قالت الدكتورة كيت شو، عالمة فيزياء جسيمات تجريبية في مشروع ديون من جامعة ساسكس. «النيوترينوات لسّه ما اتَفهمت عدل وممكن تفتح باب لفيزياء جديدة».

النيوترينوات هي أكتر جسيمات المادة وفرة في الكون، وما بتغلبها في العدد إلا الفوتونات، جسيمات الضوء اللي ما عندها كتلة واللي بتنوّر الكون. بتنتج في التفاعلات النووية الطبيعية، زي اللي بتولّد طاقة الشمس، وفي التحلل الإشعاعي وفي مسرّعات الجسيمات.

حتى بمقاييس الفيزيائيين، النيوترينوات حاجات غريبة. الجسيمات دي ما عندها شحنة ويا دوب تتفاعل مع المادة التانية: حوالي تريليون منها بتعدي من جسمك كل ثانية من غير ما تحس بيها. النيوترينوات بتيجي بتلاتة أنواع، كلها عندها كتلة ضئيلة شديد بس مختلفة. والغريبة إنها بتتحول من نوع لنوع تاني، العملية دي بتتسمى التذبذب، وهي ماشية في طريقها. "ده سلوك غريب شديد،" قال شو. "زي إني أرمي ليك تفاحة وتتحول لموزة."

الرصاص عندو تاريخ مع الجسيمات الغريبة دي. في الستينات، الفيزيائي راي ديفيس مشى ورا عمال المناجم جوّا البير وبنى كاشف من تانك سعة ١٠٠,٠٠٠ جالون مليان سائل تنظيف جاف. محمي بالعمق دا كلو تحت الأرض، الكاشف بقى أول واحد يسجّل النيوترينوات الجاية من الشمس وهي بتضرب ذرات الكلور في السائل وتحوّلها لأرجون.

المنجم قفل في ٢٠٠١ وحوّل، بفضل بصيرة ونظر بعيد، لي بقى مختبر تحت الأرض مخصص، منشأة سانفورد للأبحاث تحت الأرض (سيرف). وهو أصلاً بيت تجربة لوكس-زيبلين (LZ) اللي الشهر الماضي أعلنت أول اكتشاف محتمل للمادة المظلمة.

«كنا بننقّب في الأرض، والآن بنساعد العلماء يستكشفو الكون»، كده قال روبن لوسيرو، مدير مدينة ليد، اللي عيلته عاشت في المنطقة لأجيال. «إحنا فخورين جداً ومحظوظين إن ديون بتتم هنا، وسيرف، اللي فيها تجارب تانية زي LZ. وجود علم بمستوى عالمي بيجيب فرص جديدة وناس جداد وإمكانيات جديدة لمشاريعنا المحلية وخصوصاً لشبابنا».

عكس جهاز ديفيس، تجربة ديون ضخمة شديد. مصنوعة من أكتر من ٤,٠٠٠ طن ستيل، والكاشفات حتكون بارتفاع يوصل لخمسة أدوار وتحمل مع بعضها ٧٠,٠٠٠ طن من الأرجون السائل لازم يتبرد لدرجة -٢٠٠ مئوية. تركيب الكاشفات حياخد تقريباً ثلاث سنين. وتعبئتها بالأرجون السائل سنة كمان.

«دي عملية هندسية ثقيلة جداً»، وشراكة مع العمالة المحلية الماهرة، قال البروفيسور ديفيد نيوبولد، من مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا البريطاني والمتحدث باسم مشروع ديون. «زي ما تكون بتبني سفينة تحت الأرض». بريطانيا أكبر شريك دولي في التجربة اللي بتقودها أمريكا، وبتصنع مكونات أساسية للكاشف، وحوسبة حرجة لإعادة بناء الأحداث في الكواشف، والهدف الجرافيتي المطلوب لتوليد النيترينوهات في فيرميلاب، منشأة فيزياء الجسيمات في إلينوي.

بعد ما يشتغل، دن حيدرس شعاع مكثف من النيوترينوات المرسلة من فرميلاب عبر ٨٠٠ ميل من قشرة الأرض والوشاح. معظم النيوترينوات حتعدي على طول، لكن كل فترة واحدة حتضرب ذرة أرغون، وتعمل وميض ضوء ونبضة شحنة كهربائية. تحليل ده حيكشف تفاصيل دقيقة عن الجزيئات الغامضة دي.

سؤال كبير واحد بيلف حول كتل النيوترينوات المختلفة. أي واحد الأخف وأي واحد الأتقل؟ الإجابة ممكن تكشف قوى أساسية جديدة في الطبيعة. وفي محاولة عشان نجاوب على سؤال المادة ضد المادة المضادة، دن هيفتش على فروقات دقيقة بين النيوترينوات وتوأمها المضاد للمادة، النيوترينوات المضادة.

برا الشغلات دي اللي بتنبعث من فيرميلاب، ديون حيشتغل كمان على النيوتريتوز اللي بتيجي من الفضاء، وهي بتحمل معاها معلومات جديدة عن انفجارات النجوم وتكوين الثقوب السوداء.

في بداية الشهر ده، جائزة نوبل في الفيزياء كرّمت الباحث البلجيكي فرانسيس هالزن، اللي استخدم كيلومتر مكعب من أنتاركتيكا عشان يكتشف النيوترينوات عالية الطاقة من الفضاء العميق. لكن الاكتشاف ده ما نهاية الحكاية. "ده حقيقي حيكون عصر ذهبي"، قال نيوبولد. "في كتير جاي من ده."