تم تكليف عدة آلاف من أجهزة الاستشعار الموزعة على مساحة كيلومتر مربع بالقرب من القطب الجنوبي بالإجابة على أحد الأسئلة الكبيرة المعلقة في الفيزياء: هل الجاذبية الكمية موجودة؟ تقوم أجهزة الاستشعار بمراقبة النيوترينوات - وهي جسيمات ليس لها شحنة كهربائية ولا كتلة لها تقريبًا - تصل إلى الأرض من الفضاء الخارجي. ساهم فريق من معهد نيلز بور (NBI) بجامعة كوبنهاغن في تطوير طريقة تستغل بيانات النيوترينو للكشف عن وجود الجاذبية الكمومية.
"إذا كانت الجاذبية الكمية موجودة بالفعل، كما نعتقد، فإن هذا سيساهم في توحيد العالمين الحاليين في الفيزياء. اليوم، تصف الفيزياء الكلاسيكية الظواهر التي تحدث في محيطنا الطبيعي مثل الجاذبية، بينما لا يمكن وصف العالم الذري إلا باستخدام ميكانيكا الكم.
"يظل توحيد نظرية الكم والجاذبية أحد أبرز التحديات في الفيزياء الأساسية. يقول توم ستوتارد، الأستاذ المساعد في معهد حوض النيل: "سيكون من المرضي للغاية أن نتمكن من المساهمة في تحقيق هذه الغاية".
ستوتارد هو مؤلف مشارك لمقال نشرته المجلة فيزياء الطبيعة. يعرض المقال نتائج دراسة كبيرة أجراها فريق مبادرة حوض النيل وزملاؤه الأمريكيون. تمت دراسة أكثر من 300,000 نيوترينو.
ومع ذلك، فهذه ليست نيوترينوات من النوع الأكثر إثارة للاهتمام والتي تنشأ من مصادر في الفضاء السحيق. تم إنشاء النيوترينوات في هذه الدراسة في الغلاف الجوي للأرض، عندما اصطدمت جزيئات عالية الطاقة من الفضاء بالنيتروجين أو جزيئات أخرى.
"إن النظر إلى النيوترينوات الناشئة من الغلاف الجوي للأرض له ميزة عملية تتمثل في أنها أكثر شيوعًا بكثير من أشقائها من الفضاء الخارجي. كنا بحاجة إلى بيانات من العديد من النيوترينوات للتحقق من صحة منهجيتنا. وقد تم إنجاز هذا الآن. وبالتالي، نحن مستعدون لدخول المرحلة التالية التي سندرس فيها النيوترينوات القادمة من الفضاء السحيق”.
السفر دون عائق عبر الأرض
يقع مرصد IceCube Neutrino بجوار محطة Amundsen-Scott South Pole في القارة القطبية الجنوبية. على عكس معظم مرافق علم الفلك والفيزياء الفلكية الأخرى، يعمل IceCube بشكل أفضل لمراقبة الفضاء على الجانب الآخر من الأرض، أي نصف الكرة الشمالي. وذلك لأنه في حين أن النيوترينو قادر تمامًا على اختراق كوكبنا - وحتى قلبه الساخن والكثيف - فسيتم إيقاف الجسيمات الأخرى، وبالتالي تكون الإشارة أكثر نظافة بالنسبة للنيوترينوات القادمة من نصف الكرة الشمالي.
يتم تشغيل منشأة IceCube من قبل جامعة ويسكونسن-ماديسون بالولايات المتحدة. وقد شارك أكثر من 300 عالم من دول حول العالم في تعاون IceCube. تعد جامعة كوبنهاغن واحدة من أكثر من 50 جامعة تضم مركز IceCube لدراسات النيوترينو.
وبما أن النيوترينو ليس لديه شحنة كهربائية وهو عديم الكتلة تقريبًا، فإنه لا يتأثر بالقوى الكهرومغناطيسية والقوى النووية القوية، مما يسمح له بالسفر مليارات السنين الضوئية عبر الكون في حالته الأصلية.
والسؤال الرئيسي هو ما إذا كانت خصائص النيوترينو في الواقع لم تتغير تمامًا أثناء انتقاله لمسافات كبيرة أو ما إذا كانت التغييرات الطفيفة ملحوظة على كل حال.
يقول ستوتارد: “إذا مر النيوترينو بالتغيرات الطفيفة التي نشك فيها، فسيكون هذا أول دليل قوي على الجاذبية الكمية”.
النيوترينو يأتي في ثلاث نكهات
لفهم التغييرات في خصائص النيوترينو التي يبحث عنها الفريق، هناك حاجة إلى بعض المعلومات الأساسية. وبينما نشير إليه على أنه جسيم، فإن ما نلاحظه على أنه نيوترينو هو في الواقع ثلاثة جسيمات يتم إنتاجها معًا، وهو ما يُعرف في ميكانيكا الكم بالتراكب.
يمكن أن يكون للنيوترينو ثلاثة تكوينات أساسية - النكهات كما يسميها الفيزيائيون - وهي الإلكترون والميون والتاو. أي من هذه التكوينات نلاحظها يتغير مع انتقال النيوترينو، وهي ظاهرة غريبة حقًا تُعرف باسم تذبذبات النيوترينو. يتم الحفاظ على هذا السلوك الكمي على مدى آلاف الكيلومترات أو أكثر، وهو ما يشار إليه بالتماسك الكمي.
"في معظم التجارب، سرعان ما ينكسر التماسك. لكن لا يُعتقد أن هذا ناجم عن الجاذبية الكمومية. من الصعب جدًا خلق الظروف المثالية في المختبر. تريد فراغًا مثاليًا، ولكن بطريقة ما تتمكن بعض الجزيئات من التسلل إلى الداخل وما إلى ذلك.
يشرح ستوتارد: "على النقيض من ذلك، تتميز النيوترينوات بأنها مميزة لأنها ببساطة لا تتأثر بالمادة المحيطة بها، لذلك نحن نعلم أنه إذا تم كسر التماسك فلن يكون ذلك بسبب عيوب في الإعداد التجريبي الذي صنعه الإنسان".
كان العديد من الزملاء متشككين
وسئل عما إذا كانت نتائج الدراسة نشرت في فيزياء الطبيعة كانت كما كان متوقعا، يجيب الباحث: «نجد أنفسنا في فئة نادرة من المشاريع العلمية، وهي التجارب التي لا يوجد لها إطار نظري ثابت. وهكذا، لم نكن نعرف ما يمكن توقعه. ومع ذلك، كنا نعلم أنه يمكننا البحث عن بعض الخصائص العامة التي قد نتوقع أن تمتلكها نظرية الكم للجاذبية.
"على الرغم من أننا كنا نأمل في رؤية التغييرات المتعلقة بالجاذبية الكمومية، فإن حقيقة أننا لم نراها لا تستبعد على الإطلاق أنها حقيقية. عندما يتم اكتشاف نيوترينو الغلاف الجوي في منشأة القطب الجنوبي، فإنه عادة ما يكون قد سافر عبر الأرض. وهذا يعني ما يقرب من 12,700 كيلومتر، وهي مسافة قصيرة جدًا مقارنة بالنيوترينوات الناشئة في الكون البعيد. يقول ستوتارد: "من الواضح أن هناك حاجة إلى مسافة أطول بكثير حتى تتمكن الجاذبية الكمية من إحداث تأثير، إن وجدت"، مشيرًا إلى أن الهدف الأسمى للدراسة هو إنشاء المنهجية.
"لسنوات عديدة، شكك العديد من الفيزيائيين فيما إذا كانت التجارب يمكن أن تأمل في اختبار الجاذبية الكمية. يُظهر تحليلنا أن ذلك ممكن بالفعل، ومع القياسات المستقبلية للنيوترينوات الفيزيائية الفلكية، بالإضافة إلى أجهزة الكشف الأكثر دقة التي سيتم بناؤها في العقد المقبل، نأمل أن نجيب أخيرًا على هذا السؤال الأساسي.