جبال الأنديز كمختبر فيزياء
عالياً في جبال الأنديز البيروفية، حيث تقطع الأودية العميقة الصخور القديمة وينخفض الهواء إلى همسة، يحول الفيزيائيون جبلاً كاملاً إلى ما يسمونه كاشفاً للجزيئات المستحيل. يستغل المشروع الهندسة الطبيعية لأودية الأنديز للقبض على أكثر الجزيئات طاقة في الكون — رسل كوني سافروا مليارات السنين الضوئية وحملوا معلومات عن أعنف الأحداث في الكون.
تمثل هذه المبادرة، التي يقودها الفيزيائي Carlos Arguelles-Delgado وفريق دولي من المتعاونين، حلاً إبداعياً لأحد التحديات الأساسية في فيزياء الجزيئات عالية الطاقة: كشف الجزيئات التي تتمتع بطاقة عالية جداً بحيث لا يمكن لأي معجل من صنع الإنسان إنتاجها. تحمل هذه النيوترينوهات فائقة الطاقة وأشعة كونية طاقات أكثر بملايين المرات من أي شيء يمكن تحقيقه في Large Hadron Collider التابع لـ CERN.
لماذا تصنع الجبال كواشف أفضل
يتم دفن كواشف الجزيئات التقليدية بعمق تحت الأرض — في المناجم أو تحت الجبال أو تحت جليد القطب المتجمد الجنوبي — لحمايتها من الأمطار المستمرة من أشعة كونية منخفضة الطاقة التي ستطغى على أدواتها. على سبيل المثال، يستخدم مرصد IceCube Neutrino في القطب الجنوبي كيلومتراً مكعباً من جليد القطب المتجمد الجنوبي كوسيط الكشف الخاص به.
يتخذ النهج البيروفي تكتيكاً مختلفاً. بدلاً من دفن الكواشف تحت الأرض، يوضع الفريق الأجهزة في أودية عميقة حيث تخدم صخور الجبل المحيطة كمرشح طبيعي. يجب على الجزيئات الداخلة من زوايا معينة المرور عبر كيلومترات من الصخور، الذي يمتص كل شيء باستثناء النيوترينوهات وعدد قليل من جزيئات أخرى قادرة على اختراق المادة الكثيفة. تنشئ هندسة الوادي بشكل فعال مرشحاً اتجاهياً، مما يسمح للفيزيائيين بدراسة الجزيئات القادمة من مناطق محددة من السماء.
تقدم هذه الهندسة الطبيعية عدة مزايا على المختبرات الموجودة تحت الأرض المبنية على قصد. حجم الكشف الفعال ضخم — أكبر بكثير مما يمكن لأي كهف محفور أن يوفره. التكلفة هي جزء صغير من بناء مرفق تحت الأرض معادل. والارتفاع العالي للأنديز يعني أن الغلاف الجوي فوق الكواشف أرق، مما يقلل من مصدر واحد من الضوضاء الخلفية.
صيد الجاذبية الكمية
الجائزة العلمية على المحك ليست أقل من إثبات أن الجاذبية لها طبيعة كمية. تصف النسبية العامة الجاذبية بأنها انحناء الزمكان — وهي ظاهرة سلسة ومستمرة. ميكانيكا الكم، على النقيض من ذلك، تصف القوى الأساسية الأخرى بأنها يتوسطها جزيئات منفصلة. توحيد هذين الإطاريْن في نظرية الجاذبية الكمية هو أحد أعظم المشاكل التي لم يتم حلها في الفيزياء.
يمكن لجزيئات كونية فائقة الطاقة أن توفر أول دليل تجريبي لتأثيرات الجاذبية الكمية. عند طاقات عالية بما فيه الكفاية، يجب أن تنتج البنية الحبيبية للزمكان التي تنبأت بها بعض نظريات الجاذبية الكمية تشوهات قابلة للقياس في كيف تنتشر الجزيئات عبر المسافات الكونية. ستظهر هذه التشوهات كتغييرات صغيرة في أوقات الوصول أو أطياف الطاقة التي يهدف كاشف الجبل إلى قياسها.
كانت محاولات سابقة للكشف عن توقيعات الجاذبية الكمية محدودة بنطاقات الطاقة التي يمكن الوصول إليها لمعجلات القائمة على الأرض وحساسية مراصد أشعة كونية موجودة. تعطي قدرة الكاشف البيروفي على التقاط أحداث فائقة الطاقة مع معلومات اتجاهية دقيقة القدرة على دفع الحساسية نحو أراضي لم يتم استكشافها سابقاً.
بناء مصفوفة الكاشف
تتكون مصفوفة الكاشف من ألواح الومضة، وخزانات Cherenkov للمياه، وهوائيات راديو موضوعة في نقاط استراتيجية عبر نظام الوادي. عندما يتفاعل جزيء ذو طاقة عالية مع الصخور أو الهواء، فإنه ينتج سلسلة من الجزيئات الثانوية — دش هواء — يمكن للأجهزة الكشف عنها وإعادة بناؤها. من خلال ربط الإشارات عبر محطات كاشف متعددة، يمكن للفريق تحديد الطاقة والاتجاه والهوية الخاصة بالجزيء الأصلي.
يقدم التثبيت في التضاريس الوعرة للأنديز تحدياتها الخاصة. يجب نقل المعدات بالبغال إلى مواقع بعيدة تفتقر إلى الطرق أو الكهرباء. تزود الألواح الشمسية وأنظمة البطاريات الأجهزة، وتنقل وصلات الأقمار الصناعية البيانات إلى مراكز التحليل. رغم هذه الصعوبات اللوجستية، قام الفريق بالفعل بنشر محطات نموذجية وتسجيل أحداثهم الأولى من الأشعة الكونية.
نافذة جديدة على الكون
بعيداً عن الجاذبية الكمية، يفتح كاشف الجبل إمكانيات جديدة لفلك رسل متعدد — ممارسة دراسة الأحداث الكونية باستخدام أنواع مختلفة من الإشارات في نفس الوقت. عندما يحدث اندماج نجم نيوتروني أو انفجار سوبر نوفا، فإنه ينتج موجات الجاذبية والإشعاع الكهرومغناطيسي والنيوترينوهات. قد يساعد كشف مكون النيوترينو لهذه الأحداث بمعلومات توقيت دقيقة واتجاهي الفلكيين على تحديد موقع المصادر والفهم الفيزياء في البيئات القاسية.
يعمل المشروع أيضاً كنموذج لكيف يمكن للاستخدام الإبداعي للجغرافيا الطبيعية أن يكمل أو حتى يحل محل البنية التحتية العلمية غالية الثمن. مع تقدم الفيزياء نحو أنظمة الطاقة التي تتجاوز ما يمكن للمعجلات تحقيقه، يصبح الكون نفسه المختبر، وتصبح جيولوجيا الأرض الأداة.
تستند هذه المقالة إلى التقارير من New Scientist. اقرأ المقالة الأصلية.
