The detector system of the SHiP/NA67 experiment at CERN

في المشهد الشاسع للفيزياء الحديثة، يعلم العلماء منذ زمن طويل أن النموذج المعياري لفيزياء الجسيمات، رغم نجاحه المذهل، لا يزال غير مكتمل. فهو لا يستطيع تفسير سبب كون الكون مكوناً من المادة بدلاً من المادة المضادة، كما أنه لا يفسر المادة الخفية المعروفة بالمادة المظلمة. ولعقود من الزمن، كانت الاستراتيجية الأساسية للعثور على فيزياء جديدة هي بناء آلات تصدم الجسيمات ببعضها البعض عند طاقات أعلى وأعلى، على أمل خلق جسيمات ثقيلة وغير معروفة. ومع ذلك، هناك احتمال آخر ظل بعيد المنال: جسيمات خفيفة ولكنها تتفاعل بضعف شديد مع المادة العادية بحيث تنزلق مباشرة عبر كواشفنا. تُعرف هذه الجسيمات بالجسيمات ضعيفة التفاعل. ولأن اصطيادها صعب للغاية، فإن العثور عليها يتطلب نهجاً مختلفاً؛ فبدلاً من البحث عن تصادمات عالية الطاقة ونادرة، يجب على العلماء توليد عدد هائل من الجسيمات والانتظار حتى تتحلل هذه الجسيمات النادرة إلى شيء مرئي. هذا التحول من البحث عن "الثقيل" إلى مطاردة "الخافت" هو جوهر "جبهة الكثافة"، وهو اتجاه جديد في الفيزياء يعتمد على الحجم والدقة بدلاً من القوة الغاشمة.

في مركز أبحاث سيرن (CERN) في سويسرا، يستعد فريق من الفيزيائيين لقيادة هذا التوجه من خلال تجربة تسمى SHiP، والمعروفة أيضاً باسم NA67. الهدف هو بناء منشأة متخصصة قادرة على إنتاج تدفق هائل من البروتونات واستخدامها لخلق قطاع خفي من الجسيمات التي قد تفسر أعمق أسرار الكون. وقد فصّل الفريق مؤخراً تصميم نظام الكاشف الذي سيجعل هذا البحث ممكناً. هذا النظام ليس آلة واحدة، بل هو تجميع معقد لأدوات مختلفة، صُممت كل منها لحل مشكلة محددة: كيفية خلق بيئة نظيفة حيث يمكن رؤية إشارة خافتة وسط خلفية من الضجيج الهائل. ومن المقرر أن تبدأ التجربة أولى دورات الفيزياء الخاصة بها في عام 2032، ويمثل التصميم الوارد في الورقة البحثية ذروة سنوات من التخطيط لضمان أنه عندما يبدأ الشعاع بالعمل، تكون الكواشف جاهزة لالتقاط أولى علامات الفيزياء الجديدة.

تبدأ التجربة بشعاع من البروتونات يتحرك بسرعة عالية، حيث يتم إطلاقه نحو هدف مصنوع من التنجستن النقي. تم تصميم هذا الهدف ليكون فعالاً قدر الإمكان، مما يخلق زخماً من الجسيمات الجديدة عندما تصطدم بها البروتونات. وللتعامل مع الحرارة الشديدة الناتجة عن هذه العملية، يتم تبريد الهدف بغاز الهيليوم عالي الضغط الذي يدور عبر فتحات في الكتل المعدنية. وخلف الهدف مباشرة، يوجد درع مغناطيسي قوي، وهو عبارة عن سلسلة من المغناطيسات تعمل كمرشح عملاق. مهمته هي إبعاد الغالبية العظمى من الميونات، وهي الأقارب الثقيلة للإلكترون، التي تنتج في التصادم. لولا هذا الدرع، لغمرت هذه الميونات بقية التجربة، مما يخلق خلفية صاخبة جداً لدرجة أن أي إشارة جديدة ستضيع في الزحام. يقوم الدرع بتقليل عدد الميونات بمعامل يصل إلى مليون، تاركاً مساراً أكثر هدوءاً للجسيمات التي يهتم بها العلماء بالفعل.

بمجرد تصفية الميونات، تدخل الجسيمات المتبقية في نفق طويل وفارغ مليء بغاز الهيليوم. هذا هو حجم التحلل، وهو مساحة بطول خمسين متراً حيث يُتوقع أن تسافر الجسيمات ضعيفة التفاعل، إذا وجدت، وتتحلل في النهاية إلى مادة عادية يمكن اكتشافها. ولأن هذه الجسيمات تتفاعل بضعف شديد، يمكنها قطع هذه المسافة بأكملها دون الاصطدام بأي شيء. ويتم الاحتفاظ بالهيليوم داخل بالون بوليمري رقيق لتقليل أي فرصة لاصطدام الجسيمات بذرات الغاز قبل تحللها. ويحيط بهذا النفق بأكمله جدار متطور من المستشعرات يُعرف باسم "محدد الخلفية" (background tagger). هذا الجدار مليء بسائل خاص يتوهج عندما يمر جسيم مشحون من خلاله. والغرض منه هو التقاط أي جسيمات شاردة قد تتسلل من الجوانب أو تتفاعل مع جدران النفق نفسه. إذا ظهرت إشارة في منتصف النفق في نفس الوقت الذي يصطدم فيه جسيم بالجدار، فإن النظام يعرف أنها مجرد ضوضاء خلفية ويتجاهلها. هذا النظام دقيق للغاية بحيث يمكنه التمييز بين حدث حقيقي وحدث زائف بدقة زمنية تصل إلى جزء من مليار من الثانية.

في نهاية النفق، تبحث التجربة عن حطام أي عمليات تحلل حدثت في الداخل. وهنا يأتي دور "مطياف القطاع الخفي". وهو نظام تتبع ضخم مكون من آلاف الأنابيب الرفيعة التي تشبه القش والمملوءة بالغاز. عندما تمر الجسيمات المشحونة عبر هذه الأنابيب، تترك أثراً من الإشارات الكهربائية التي تسمح للعلماء بإعادة بناء مسار الجسيم بدقة متناهية. يقوم مغناطيس كبير بثني هذه المسارات، مما يساعد العلماء على تحديد زخم وهوية الجسيمات. ويتبع جهاز التتبع كاشف توقيت مكون من قضبان وميضية، يعمل بمثابة ساعة إيقاف للتأكد من أن الجسيمات التي تتم مراقبتها جاءت بالفعل من حجم التحلل وليس من مصدر آخر. أخيراً، تدخل الجسيمات إلى "المسعر" (calorimeter)، وهو جهاز يقيس طاقتها ويحدد نوع الجسيم. هذا القسم الأخير حاسم للتمييز بين أنواع التحلل المختلفة، مثل تلك التي تنتج جسيمات خفيفة مقابل تلك التي تنتج جسيمات أثقل.

تم تصميم النظام بأكمله ليعمل بدون "مُطلق استجابة" (trigger) تقليدي، مما يعني أنه يسجل البيانات بشكل مستمر بدلاً من الانتظار لإشارة محددة لبدء التسجيل. وهذا ضريد لأن التجربة تستمر لفترات طويلة، وأحداث الاهتمام نادرة جداً لدرجة أن مُطلق استجابة قياسي قد يفوتها. بدلاً من ذلك، يقوم النظام بوضع طابع زمني لكل قطعة من البيانات، مما يسم يسمح للعلماء بإعادة بناء الأحداث لاحقاً من خلال البحث في النوافذ الزمنية التي تظهر فيها أنماط مثيرة للاهتمام. ويتضمن التصميم أيضاً كاشفاً منفصلاً داخل درع الميون لدراسة النيوترينوات، وهي نوع من الجسيمات التي يصعب اكتشافها بشكل ملحوظ. يهدف هذا الجزء من التجربة إلى مراقبة آلاف تفاعلات النيوترينو، مما يوفر وفرة من البيانات حول كيفية سلوك هذه الجسيمات.

تشير الورقة البحثية إلى أن تصميم الهدف ودرع الميون قد اكتمل أساساً، مع اختبار النماذج الأولية لضمان قدرتها على تحمل الظروف القاسية للحزمة. أما محددات الخلفية والمطياف فهي حالياً في مرحلة النماذج الأولية، حيث تجرى الاختبارات لتأكيد أدائها. ويعرب الفريق عن ثقته في أنه بحلول وقت تشغيل المنشأة في عام 2033، ستكون الكواشف جاهزة للبحث عن هذه الجسيمات المراوغة بحساسية رائدة عالمياً. وإذا كانت الجسيمات ضعيفة التفاعل موجودة ضمن نطاق الكتل والاقترانات التي صُممت التجربة لسبرها، فإن كاشف SHiP يجب أن يكون قادراً على العثور عليها. وإذا لم تكن موجودة، فستضع التجربة أكثر القيود صرامة حتى الآن على وجودها، مما يؤدي فعلياً إلى استبعاد جزء كبير من الاحتمالات النظرية للفيزياء الجديدة. إن هذا العمل يمثل توازناً دقيقاً بين الهندسة والفيزياء، حيث يخلق آلة هادئة بما يكفي لسماع أخفت همسات أسرار الكون الخفية.