Dark-field Search for Quantum Vacuum Signals in the Low-Energy Regime

يمر الضوء، في تجربتنا اليومية، عبر الضوء الآخر دون أن نلاحظ ذلك. فالحزم الضوئية المنبعثة من مصباحين يدويين عند تقاطعهما في غرفة مظلمة لا ترتد عن بعضها البعض؛ بل تتداخل ببساطة وتواصل مساراتها. ويعود ذلك إلى أن الفوتونات، وهي الجسيمات التي يتكون منها الضوء، لا تحمل شحنة كهربائية، ولا تتفاعل مع بعضها البعض في الظروف العادية. ومع ذلك، فإن قوانين الفيزياء الكمومية، التي تحكم سلوك الكون عند أصغر مقاييسه، تتنبأ بقصة مختلفة. فوفقًا لهذه القوانين، يمكن للضوء أن يتفاعل مع الضوء، ولكن بشكل غير مباشر فقط. فعندما يصطدم شعاعان من الضوء، يمكنهما لفترة وجيزة خلق زوج عابر من الجسيمات الافتراضية — إلكترون وتوأمه من المادة المضادة، وهو البوزيترون — قبل أن يتلاشيا مرة أخرى. هذا الوجود الوجيز يسمح للفوتونات بالتشتت عن بعضها البعض، وهي ظاهرة تُعرف باسم "تشتت الضوء بفعل الضوء". وبينما لوحظ هذا التأثير في التصادمات عالية الطاقة التي تشمل نوى ذرية ثقيلة، إلا أنه لم يُرَ قط بشكل مباشر في تجربة محكومة باستخدام أشعة ضوئية فقط عند مستويات طاقة منخفضة. ويعد العثور على هذه الإشارة في نظام الطاقة المنخفض هدفًا رئيسيًا لعلماء الفيزياء، لأن ذلك سيسمح لهم بقياس الثوابت الأساسية التي تصف كيفية سلوك فراغ الفضاء نفسه تحت تأثير المجالات الكهرومغناطيسية القوية.

أجرى فريق من الباحثين مؤخرًا تجربة ضخمة للبحث عن هذه الإشارة المراوغة باستخدام مرفق (European XFEL)، وهو مرفق ليزر للأشعة السينية قوي في ألمانيا. حيث أعدوا تصادمًا بين شعاع من فوتونات الأشعة السينية عالية الطاقة وحزمة مركزة من ضوء ليزر تحت حمراء مكثف. كان التحدي هائلًا: فالإشارة التي يبحثون عنها خافتة للغاية، ومدفونة تحت جبل من الضوضاء الخلفية الناتجة عن شعاع الأشعة السينية الرئيسي الذي لم يتشتت على الإطلاق. ولحل هذه المشكلة، استخدم العلماء تقنية ذكية تسمى "التصوير بالمجال المظلم". تخيل أنك تحاول رؤية نجم خافت في سماء النهار؛ لن تستطيع فعل ذلك بالنظر مباشرة إلى الشمس. بدلاً من ذلك، ستغطي الشمس بيدك، لتخلق ظلًا، ثم تبحث عن النجم الخافت الذي يظهر في ذلك الظلام. لقد فعل الباحثون شيئًا مشابهًا بالضوست. فقد وضعوا سلكًا رفيعًا في مسار شعاع الأشعة السينية لحجب مركزه، مما خلق "ظلًا" في بؤرة الشعاع. ثم رتبوا التجربة بحيث يتم حجب الأشعة السينية غير المتشتتة بواسطة ثقب صغير في شاشة، بينما يمكن لأي ضوء تشتت عن شعاع الليزر — أي تغير اتجاهه قليلًا — أن ينفذ عبر ذلك الثقب.

ولإمساك الضوء المتشتت، استخدم الفريق بلورة خاصة تعمل كمرشح لاتجاه الموجات الضوئية. فإذا كان الضوء قد ارتد عن الليزر وتغير استقطابه، فستوجهه البلورة إلى كاشف واحد؛ أما إذا حافظ على اتجاهه الأصلي، فسيذهب إلى كاشف آخر. ومن خلال عد الفوتونات في هذين المسارين، استطاع الفريق التمييز بين الإشارة النادرة المتشتتة وبين الخلفية الهائلة من الضوء غير المتشتت. لقد أجروا هذه التجربة 2,751 مرة، متتبعين بدقة اللحظة والموضع الدقيقين الذي تصادم فيه شعاعا الليزر في كل مرة. وبما أن الشعاعين لم يكونا متوافقين تمامًا في كل مرة، فقد استخدم الباحثون أدوات تشخيص متقدمة لقياس الانزياحات الطفيفة في الموقع والتوقيت، مما سمح لهم بحساب مقدار الإشارة التي كان ينبغي إنتاجها بالضبط في كل تصادم.

بعد تحليل البيانات من آلاف التصادمات، لم يجد الباحثون أي زيادة في عدد الفوتونات فوق مستوى الضوضاء الخلفية المتوقعة. وبعبارة أخرى، لم يروا إشارة تشتت الضوء بفعل الضوء التي كانوا يبحثون عنها. ومع ذلك، فإن هذه النتيجة الصفرية تعد إنجازًا كبيرًا. فمن خلال إثبات أن الإشارة لم تكن موجودة عند مستوى معين، تمكنوا من وضع حد أقصى جديد وصارم للغاية لمدى تكرار حدوث هذا التشتت. وتظهر نتيجتهم أن احتمال تشتت الضوء عن الضوء عند مستويات الطاقة المنخفضة هذه هو أقل من 70,000 مرة من القيمة التي تنبأت بها النظرية القياسية للكهروديناميكا الكمومية. ويمثل هذا تحسنًا بمقدار عشر مراتب عشرية عن الحدود التجريبية السابقة، مما يجعلها أكثر الاختبارات حساسية لهذه الظاهرة التي أُجريت في بيئة مختبرية.

كما أثبتت التجربة أن نهج "المجال المظلم" يعمل كأداة قوية لفصل الإشارة عن الضوضاء. فقد أظهر الفريق قدرتهم على كبح شعاع الأشعة السينية الرئيسي بمعامل يصل إلى حوالي أربعة تريليونات مع بقائهم حساسين للإشارة الخافتة. ورغم أن الإشارة لم تُكتشف في هذه الجولة الأولى، إلا أن الدراسة أثبتت أن الإعداد قادر على الوصول إلى الحساسية المطلوبة لتحقيق اكتشاف. وقد حدد الباحثون عدة طرق لتحسين التجربة في المستقبل، مثل استخدام ليزر أكثر قوة وبصريات أفضل، مما قد يزيد من قوة الإشارة بشكل كبير. ومع هذه التحسينات، يمكن أن يصبح اكتشاف إشارات الفراغ الكمومي في نظام الطاقة المنخفضة حقيقة واقعة، مما يفتح نافذة جديدة على الطبيعة الجوهرية للضوء وفراغ الفضاء.