MoEDAL-MAPP: the first dedicated search experiment at the LHC

بُني الكون على مجموعة من القواعد التي أمضى العلماء قرناً من الزمان في فك رموزها، وهو إطار يُعرف بالنموذج القياسي. ينجح هذا النموذج في تفسير كيفية تفاعل أصغر الجسيمات المعروفة، لكنه يترك بعض الأسئلة العميقة دون إجابات. فعلى سبيل المثال، لا يفسر لماذا تأتي الشحنة الكهربائية دائماً بكميات محددة ومنفصلة، كما أنه لا يفسر المادة المظلمة غير المرئية التي تمسك المجرات معاً. ولإيجاد الإجابات، يبحث الفيزيائيون عن شقوق في النظرية الحالية، بحثاً عن جسيمات يُفترض وجودها إذا كان الطبيعة أكثر تعقيداً مما نعتقد. ومن بين الاحتمالات الأكثر إثارة للاهتمام هي أحادي القطب المغناطيسي، وهي جسيمات تحمل قطباً مغناطيسياً واحداً، تماماً كما يحمل الإلكتر شحنة كهربائية واحدة. وبينما يمتلك كل مغناطيس رأيناه قطباً شمالياً وجنوبياً، فإن أحادي القطب سيكون جسيماً له قطب واحد فقط. إن العثور على واحد من هذه الجسيمات من شأنه أن يعيد كتابة قوانين الفيزياء ويفسر سبب كون الشحنة الكهربائية مكممة. وإلى جانب ذلك، يصطاد العلماء أيضاً جسيمات غريبة وثقيلة أخرى تتفاعل بضعف شديد مع المادة العادية، مما قد يكشف عن قطاعات خفية في الكون.

في مصادم الهادرونات الكبير في سويسرا، حيث تصطدم البروتونات ببعضها البعض بسرعة تقترب من سرعة الضوء، يعمل فريق متخصص في البحث عن هذه الأجسام المراوغة. يقود هذا الجهد تجربة تسمى "مودال" (MoEDAL)، والتي ترمز إلى كاشف أحادي القطب والمواد الغريبة في مصادم الهادرونات الكبير. وخلافاً للكواشف الضخمة والمعقدة التي تسجل مليارات الإشارات الإلكترونية في كل ثانية، يعد "مودال" جهازاً فريداً، وهو جهاز سلبي في معظمه. فهو لا يعتمد على أجهزة الكمبيوتر لإطلاق تسجيل أو مستشعرات إلكترونية لالتقاط ومضة ضوئية، بل يستخدم مواد صلبة تعمل كشاهد صامت على مرور جسيمات نادرة وعالية الطاقة. فعندما يمر جسيم ثقيل وبطيء الحركة عبر هذه المواد، فإنه يترك علامة مادية دائمة، وهي عبارة عن مسار مجهري من الضرر يمكن فحصه لاحقاً تحت المجهر. وقد وسعت التجربة نطاقها مؤخراً بمكون جديد يسمى "ماب" (MAPP)، المصمم لالتقاط الجسيمات التي تتفاعل بضعف شديد لدرجة أنها قد تنزلق بعيداً عن الكواشف الأخرى. وتجمع مجموعة حديثة من الأوراق البحثية بين أحدث الأفكار النظرية والنتائج التجريبية لهذا الفريق، مقدمة نظرة شاملة حول كيفية بحثهم عن المجهول.

يتضمن جوهر هذا العمل فهم ماهية هذه الجسيمات الغريبة وكيفية العثور عليها. فقد أمضى الفيزيائيون النظريون سنوات في حساب ما إذا كان بإمكان أحاديات القطب المغناطيسي أن تكون مستقرة بما يكفي للنجاة من الرحلة من نقطة التصادم إلى الكاشف. فإذا كان أحادي القطب يتحلل فوراً، فسيختفي قبل أن يُرى، تاركاً وراءه نواتج تحلله فقط. أما إذا كان مستقراً أو طويل الأمد، فسيتحرك عبر الكاشف، تاركاً بصمة مميزة. وقد فحصت دراسات حديثة القوى الداخلية لهذه الجسيمات النظرية لمعرفة ما إذا كانت ستتماسك أم ستتفكك. بحث أحد التحليلات في الإجهادات الميكانيكية داخل نموذج محدد لأحادي القطب، ووجد أنه رغم امتلاكه لبعض النزعات الدورانية الداخلية، إلا أنه لا ينهار بالضرورة. واستخدمت دراسة أخرى تقنيات رياضية لاختبار ما إذا كانت الاضطرابات الصغيرة ستؤدي إلى تفكك الجسيم، ووجدت أن النموذج يبدو مستقراً ضد مثل هذه الاضطرابات. هذه النتائج لا تثبت وجود أحاديات القطب، لكنها تؤكد أن النماذج النظرية التي تصفها قوية بما يكفي لتؤخذ على محمل الجد في عمليات البحث التجريبية.

وعلى الجانب التجريبي، يعمل الفريق على تحسين الأدوات المستخدمة لالتقاط هذه الجسيمات. وتتضمن الطريقة الأساسية استخدام شرائح من بلاستيك خاص يسجل مسار الجسيم المشحون كحفرة صغيرة محفورة. ومع ذلك، فإن البيئة داخل المصادم مليئة بالإشعاع الذي يمكن أن يسبب ضبابية في هذه الشرائح، مما يجعل من الصعب رؤية المسارات الباهتة التي تتركها الجسيمات النادرة التي يبحثون عنها. ولحل هذه المشكلة، يختبر الباحثون طرقاً جديدة لقراءة البيانات؛ إذ يتضمن أحد النهج طلاء الشرائح البلاستيكية بطبقة رقيقة من السائل واستخدام أنظمة كاميرات متطورة للمسح بحثاً عن الحفر، مما يساعد في إزالة الضوضاء البصرية الناتجة عن الإشعاع. ويستخدم فريق آخر كاميرات حرارية لمسح الشرائح، بحثاً عن بصمات حرارية تكشف عن العيوب في المادة. هذه التحديثات التكنولوجية حاسمة لأنها تسمح للتجربة بالتمييز بين ضوضاء الخلفية في المصادم والإشارة الواضحة والحادة لجسيم جديد. كما يقوم الباحثون برسم خريطة لبيئة الإشعاع بالتفصيل، باستخدام شبكة من كواشف السيليكون لقياس تدفق النيوترونات والجسيمات الأخرى، لضمان معرفة نوع الخلفية التي يتعاملون معها بدقة.

لقد بدأ البحث بالفعل في تقديم نتائج، حتى في غياب اكتشاف ملموس. فمن خلال تحليل البيانات الناتجة عن التصادمات، تمكن الفريق من وضع حدود صارمة لوجود أحاديات القطب المغناطيسي والجسيمات الثقيلة المشحونة الأخرى. وقد حددوا أنه إذا كانت هذه الجسيمات موجودة، فيجب أن تكون أثقل من عتبة معينة، مما يستبعد فعلياً إمكانية العثور على نسخ أخف منها في نطاق الطاقة الحالي. على سبيل المثال، استبعدوا وجود أحاديات القطب ذات شحنات مغناطيسية معينة حتى كتلة تبلغ عدة تريليونات إلكترون فولت. ويعد هذا إنجازاً كبيراً لأنه يضيق نطاق البحث، ويخبر المنظرين أين ينبغي البحث تالياً. كما أن التجربة مهيأة بشكل فريد للعثور على الجسيمات التي تتحرك ببطء، وهي سمة غالباً ما تغفل عنها الكواشف الكبيرة الأخرى لأنها مضبوطة لرصد الحطام سريع الحركة. وهذه القدرة على التقاط الجسيمات الثقيلة والبطيئة تجعل من "مودال" مكملاً حيوياً للكواشف الرئيسية الأخرى في المصادم.

وبالنظر إلى ما وراء البحث المباشر عن أحاديات القطب، توسع التجربة نطاقها للعثور على الجسيمات "ذات الشحنة الضئيلة". وهي جسيمات افتراضية تحمل جزءاً ضئيلاً جداً من الشحنة الكهربائية للإلكترون، مما يجعل اكتشافها صعباً للغاية. ويتم التنبؤ بها من خلال نظريات تقترح وجود "قطاع مظلم"، وهو عالم خفي من الجسيمات التي تتفاعل مع عالمنا المرئي فقط من خلال الجاذبية أو قوى ضعيفة جداً. وقد صُمم امتداد "ماب" الجديد خصيصاً لالتقاط هذه الإشارات الخافتة. ومن خلال وضع كاشف في نفق محمي بعيداً عن نقطة التصادم الرئيسية، يأمل الفريق في رصد هذه الجسيمات وهي تبتعد عن موقع التصادم. وتشير الأعمال النظرية إلى أنه إذا وجدت هذه الجسيمات، فقد تفسر الظواهر المرصودة في ملاحظات فلكية أخرى، مثل الطريقة التي يمتص بها غاز الهيدروجين الضوء في الكون المبكر. وقد حسب الفريق أنه مع التحديثات القادمة للمصادم، يمكن لكاشفهم أن يصل إلى كتل تصل إلى 200 جيجا إلكترون فولت، مما يفتح نافذة جديدة على هذا العالم الخفي.

كما يستكشف البحث احتمالات غريبة أخرى، مثل الجسيمات التي تحمل عزم ثنائي قطب كهربائي ولكن دون شحنة صافية. هذه الجسيمات المحايدة يمكنها أيضاً التفاعل مع المادة وترك أثر، رغم أن إشارتها ستكون أضعف بكثير من إشارة الجسيم المشحون. وتظهر الحسابات أن نيوترينو ثقيلاً يمتلك مثل هذه الخاصية سيفقد طاقة أثناء مروره عبر الكاشف، مما يخلق إشارة تأين باهتة يمكن لكاشف "ماب" تحديدها محتملاً. وبالمثل، يبحث الفريق في إمكانية العثء على نيوترينوات ثقيلة ذات يد يمنى، والتي تتنبأ بها النظريات التي تحاول تفسير سبب امتلاك النيوترينو لكتلة. ومن خلال محاكاة كيفية سلوك هذه الجسيمات في الكاشف، أظهر الباحثون أن إعداداتهم يمكن أن تكون حساسة لقوى الخلط الصغيرة جداً بين الجسيمات المعروفة وغير المعروفة.

في نهاية المطاف، يمثل هذا العمل جهداً منسقاً لدفع حدود ما نعرفه عن اللبنات الأساسية للطبيعة. يقف تجربة "مودال-ماب" كحارس فريد عند حافة الاكتشاف، مستخدماً أساليب بسيطة وقوية لصيد أكثر الجسيمات تعقيداً ومراوغة. ورغم أنه لم يتم تأكيد أي جسيم جديد بعد، فقد نجحت التجربة في رسم معالم الطريق، واستبعاد مناطق شاسعة من الاحتمالات، وصقل الأدوات اللازمة للجيل القادم من عمليات البحث. إن الجمع بين الرؤية النظرية والابتكار التجريبي يضمن استمرار البحث، مدفوعاً بالقناعة بأن الكون يحوي أسراراً تنتظر فقط من يكشف عنها. ومع وصول المصادم إلى طاقات أعلى، تزداد فرص الاكتشاف، ويظل هذا الفريق المتفاني مستعداً لالتقاط أول لمحة لما وراء فهمنا الحالي للفيزياء.