Clash of the Titans: ultra-high energy KM3NeT event versus IceCube data

في أعماق ما تحت سطح الأرض وتحت جليد القارة القطبية الجنوبية المتجمد، تستمع كواشف ضخمة لأضعف الهمسات القادمة من الكون. هذه ليست موجات صوتية، بل هي جسيمات شبحية تُسمى "النيوترينو". وبخلاف الضوء أو الجسيمات المشحونة كهربائياً، التي يمكن حجبها بواسطة الغبار، أو امتصاصها بواسطة الغاز، أو ثنيها بواسطة المجالات المغناطيسية، تسير النيوترينوهات في خطوط مستقيمة عبر الكون، دون أن يعيقها أي شيء تقريباً. وهذا ما يجعلها رسلاً مثاليين، تحمل معلومات مباشرة من الأحداث الأكثر عنفاً وطاقة في السماء، مثل النجوم المتفجرة أو الثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تغذي المجرات البعيدة. لسنوات، كان كاشف "آيس كيوب" (IceCube) في القارة القطبية الجنوبية هو الأداة الرائدة عالمياً في رصد هذه الجسيمات، حيث رسم خريطة لتوهج منتشر من النيوترينوهات عالية الطاقة القادمة من جميع الاتجاهات. ومع ذلك، فإن ملاحظة جديدة من كاشف مختلف في البحر الأبيض المتوسط قد أحدثت خللاً في الفهم الراسخ لمصدر هذه الجمرات، مما خلق لغزاً يتحدى نماذجنا الحالية للكون.

تبدأ القصة بحدث استثنائي واحد سجله كاشف "كي إم 3 نيت" (KM3NeT). فبينما لا يزال قيد الإنشاء، رصدت هذه المصفوفة من المستشعرات في البحر الأبيض المتوسط "ميووناً" — وهو ابن عم ثقيل للإلكترون — وهو يمر مباشرة عبر حجم الكاشف. لم يكن هذا جسيماً عادياً؛ فقد حفّز ما يقرب من ثلث مستشعرات الضوء في الكاشف، وهي إشارة قوية جداً لدرجة أنها تشير إلى أن الميوون نتج عن نيوترينو تتجاوز طاقته 10 بيتا إلكترون فولت (PeV). ولتوضيح هذا المقياس، فإن هذه الطاقة تعادل مليار ضعف طاقة الجسيمات التي تنتجها أقوى مسرعات الجسيمات التي صنعها الإنسان. وقد قدر الباحثون طاقة النيوترينو الأم بأنها تتراوح بين 72 و2600 بيتا إلكترون فولت، مما يجعله أعلى نيوترينو طاقة تم تأكيده على الإطلاق. وقد تم إعادة بناء اتجاه الميوون بدقة عالية، مشيراً إلى نقطة في السماء فوق الأفق مباشرة. وكان السؤال المباشر بسيطاً ولكنه عميق: من أين جاء هذا الجسيم، ولما لماذا لم يرَ أحد شيئاً كهذا من قبل؟

تزداد الحيرة عندما نتأمل في تاريخ تجربة "آيس كيوب". فقد عمل "آيس كيوب" لأكثر من عقد من الزمان، ويمتلك مساحة فعالة أكبر بكثير لالتقاط الجسيمات مقارنة بكاشف "كي إم 3 نيت" الذي لا يزال قيد الإنشاء جزئياً. ولو كانت النيوترينوهات عالية الطاقة مجرد جزء من خلفية منتظمة ومستمرة تهطل من جميع أنحاء الكون، لكان من المفترض أن يكون "آيس كيوب" قد رصد عشرات الأحداث المشابهة لهذا الحدث. ومع ذلك، في أكثر من عشر سنوات من البيانات، لم يسجل "آيس كيوب" أي نيوترينوهات فوق 10 بيتا إلكترون فولت. هذا الغياب يخلق توتراً حاداً بين التجربتين. الأمر يشبه أن يرى تلسكوب جديد وصغير في البحر الأبيض المتوسط وميضاً ساطعاً، بينما لا يرى تلسكوب عملاق عمره عقد من الزمن في القارة القطبية الجنوبية أي شيء على الإطلاق في نفس الجزء من السماء. لقد سعى مؤلفو هذه الدراسة إلى تحديد مدى غرابة هذا الموقف بدقة، واختبار ما إذا كان يمكن تفسير هذا الحدث من خلال المصادر المعروفة أو ما إذا كان يشير إلى شيء جديد تماماً.

اختبر الباحثون أولاً فكرة أن هذا الحدث جاء من الخلفية المنتشرة للنيوترينوهات التي رسم "آيس كيوب" خريطتها بالفعل. وحسبوا احتمالات أن يفتقد "آيس كيوب" مثل هذا الحدث عالي الطاقة بينما رصده "كي إم 3 نيت"، بافتراض النموذج القياسي للتوهج الكوني المنتظم. وأظهرت الحسابات أن هذا السيناريو مستبعد للغاية؛ إذ إن احتمال حدوث ذلك بمحض الصدفة هو أقل من واحد في الألف، وهو مستوى من التوتر الإحصائي يشير إلى أن مجموعتي البيانات متضاربتان جوهرياً. بعد ذلك، بحثوا في النيوترينوهات "الكونية المنشأ" (cosmogenic)، والتي يُتوقع أن تنشأ عندما تصطدم الأشعة الكونية فائقة الطاقة بالضوء الخلفي للكون. تتنبأ عدة نماذج نظرية بوجود هذه الجسيمات، ولكن عندما طبق الباحثون هذه النماذج على البيانات، كانت النتائج هي نفسها: توقعت هذه النماذج عدداً قليلاً جداً من الأحداث بحيث لا يتمكن "كي إم 3 نيت" من رصدها، أو توقعت أن يكون "آيس كيوب" قد رصد الكثير منها. لم تستطع أي من النظريات الكونية القياسية تفسير الملاحظة بشكل مريح دون التعارض مع السجل الطويل لـ "آيس كيوب".

والاحتمال الأخير هو أن النيوترينو جاء من مصدر محدد ومنفرد، مثل مجرة نشطة بعيدة أو انفجار كوني مفاجئ. وإذا كان المصدر يقع في جزء من السماء لا يستطيع "آيس كيوب" رؤيته جيداً، ربما لأن الأرض تحجب الجسيمات، فقد يتم تفسير هذا التباين. ومع ذلك، تتبع الباحثون مسار حدث "كي إم 3 نيت" ووجدوا أنه نشأ من اتجاه يتمتع فيه "آيس كيوب" بحساسية ممتازة. في الواقع، ولأن "آيس كيوب" كان يراقب ذلك الجزء المحدد من السماء لعشرة أضعاف المدة الزمنية وبكاشف أكبر بكثير، فمن المفترض أن يكون قد رصد مئات الأحداث من مثل هذا المصدر إذا كان مستقراً. وحتى لو كان المصدر انفجاراً عابراً حدث مؤخراً فقط، فإن الفرق في قدرات الكاشفين لا يزال يترك فجوة كبيرة في البيانات. ولا يزال التوتر الإحصائي مرتفعاً، مما يشير إلى أن مصدراً نقطياً بسيطاً لا يمكنه بسهولة حل هذا الصراع.

إن الاستنتاج المستخلص من هذا التحليل الدقيق هو أن حدث "كي إم 3 نيت" ليس على الأرجح مجرد صدفة ناتجة عن فيزياء معروفة أو خطأ إحصائي في البيانات. بدلاً من ذلك، يبدو أنه الملاحظة الأولى لنوع جديد من المصادر الفيزيائية الفلكية، وهو نوع لا يتناسب مع الفئات الموجودة من الخلفية المنتشرة أو المصادر النقطية المعروفة. إن هذا الحدث شديد الطاقة ومنعزل عن الملاحظات السابقة لدرجة أنه يتحدى الصورة الحالية لعلم فلك النيوترينو عالي الطاقة. وبينما لا يستطيع الباحثون تسمية المصدر أو شرح آليته بعد، إلا أن البيانات تشير بقوة إلى أن الكون يخفي مصدراً قوياً وعالي الطاقة ظل غير مرئي لأكبر كواشفنا حتى الآن. قد يكون هذا الحدث الوحيد، الذي تم رصده في البحر الأبيض المتوسط، هو المفتاح لفتح فصل جديد في فهمنا لأكثر البيئات تطرفاً في الكون.