علوم

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

كيفية كشف الغموض العظيم للكون من خلال تجاوز" جدار الضوء ربما تكون على دراية بحاجز الصوت، الذي تعبره بانتظام طائرات تتحرك بسرعة تزيد عن 340 مترًا في الثانية. لكن هل تعرف ما هو «جدار الضوء"؟ نعم، من الممكن تجاوز الفوتون أثناء الركض. وستساعدنا هذه الظاهرة في الكشف عن أحد أعظم أسرار الكون. من المستحيل تجاوز سرعة الضوء، كما قيل لنا منذ قرن. تنص النسبية الخاصة على أن وصول الجسيم الضخم إلى هذه السرعة يتطلب طاقة غير محدودة. نعم، لكن فارق بسيط: إنها سرعة الضوء التي لا يمكن تجاوزها. تعلمون، أنc الصغير من E = mc²، المعادلة الشهيرة التي تؤسس علاقة بين الكتلة (m) والطاقة (E). الآن، c هي سرعة الضوء في الفراغ ، أو 299،792،458 مترًا في الثانية. لا شيء يمنعنا من البدء بإبطاء الفوتونات (الجسيمات التي "تنقل" الضوء) في محاولة للتغلب عليها ... يتم تحديد سرعة الموجة الضوئية في الوسط وفقًا لمعامل الانكسار n. معلمة بسيطة: نقسم c على n لحساب السرعة "الجديدة". في الفولاذ، على سبيل المثال، معامل الانكسار 2.5. ثم يتم إبطاء الفوتونات إلى حوالي 120000 كم / ثانية. ماذا لو نجح شيء سريع بما فيه الكفاية في تجاوز الضوء مستفيدًا من حقيقة أنه مقيد بمحيطه؟ تأثير فافيلوف-شيرينكوف عليك أن تعترف أنه من الصعب التحرك في الفولاذ. لنذهب إلى الماء الذي معامل انكساره 1.33. لإنشاء جسيم سريع (ومشحون)، نحتاج إلى ظاهرة قوية. لنأخذ الانشطار النووي، على سبيل المثال. يقسم النيوترون نواة ثقيلة مسبباً انبعاث الجسيمات المشحونة. البنغو: هذه الجسيمات سريعة جدًا لدرجة أنها تتجاوز الفوتونات في الماء. مثل طائرة تلحق بالموجات الصوتية التي تنبعث منها، مخترقة حاجز الصوت، تعبر هذه الجسيمات "جدار الضوء". يشرح جان فيليب لينين، عالم الفيزياء الفلكية في المعهد الوطني للفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات، أن "هذه الظاهرة ستخلق إشعاعًا محددًا للغاية". عندما يتحرك الجسيم المشحون سوف يزعج كل الذرات التي يصادفها. سيكون هناك تأثير استقطاب. "سيخلق الجسيم حقلاً كهربائيًا محليًا، وستصدر الذرات التي يعبرها في مسارها موجات كهرومغناطيسية. هذا الأخير، ذو التردد العالي إلى حد ما، سوف ينبعث باللون الأزرق والأشعة فوق البنفسجية. وهذا ما يسمى بإشعاع شرينكوف، أو تأثير فافيلوف-شيرينكوف. لوحظت هذه الظاهرة في غرف التبريد لمحطات الطاقة النووية، والتي ينبعث منها ضوء أزرق. تمامًا كما هو الحال مع حاجز الصوت، يؤدي مرور "الجدار الخفيف" هذا إلى انبعاث مخروط (غير مرئي للعين المجردة). نظرًا لكون الجسيم المشحون أسرع من الضوء، فإنه يترك في أعقابه انتشار الموجات الزرقاء. يقول الدكتور دون لينكولن من مختبرFermilab في إلينوي:

 "شكل هذا المخروط يمكن أن يعطي فكرة عن سرعة الجسيم". حجم مخروط الضوء الأزرق حسب سرعة الجسيم المشحون (باللون الأحمر). النقاط السوداء هي الذرات التي تنبعث منها إشعاعات نتيجة مرور الجسيم. // المصدر: لقطة شاشة Fermilab YouTube .

اختراق واحد من أعظم الألغاز في الكون حسنًا، تأثير Cerenkov يخلق ضوءًا أزرق. لكن هل من المفيد حقًا مشاهدته؟ نعم، بل إنه ضروري. في حين أن العديد من الجسيمات منفصلة لدرجة أنه يكاد يكون من المستحيل اكتشافها، فإن مجرد حقيقة أنها تطلق إشعاع سيرينكوف يمكن أن تسمح لنا بدراستها. يستخدم هذا التأثير بشكل خاص في Super-Kamiokande ، وهو كاشف ضخم للنيوترينو في اليابان. "النيوترينو جسيم شبحي"، يشرح جان فيليب لينين. إنه خفيف جدًا ولا يتفاعل مع المادة. ولكن عندما يحدث (إذا كان نشيطًا بدرجة كافية)، فإنه يطلق سلسلة من الجسيمات الثانوية التي ستسبب بحد ذاتها إشعاع سيرينكوف. إذا اكتشفها Super-Kamiokande ، فسنكون قادرين على دراسة هذه الجسيمات الثانوية ، وبالتالي النيوترينوات. « ربما تسمح لنا دراسة النيوترينوات بالإجابة على سؤال أساسي : لماذا يتكون كل شيء من المادة؟ عندما تم إنشاؤه، كان الكون مكونًا من مادة ومادة مضادة، مما أباد بعضهما البعض. إلا أنه كان هناك عدم تناسق: مادة أكثر بقليل من المادة المضادة. لم يتضح سبب ذلك بعد، لكن للنيوترينوات دور تلعبه. ومن هنا تأتي أهمية دراستها جيداً. ينتج تأثير سيرنكوف Cerenkov أيضًا عندما تدخل أشعة غاما (فوتونات عالية الطاقة) إلى الغلاف الجوي. يأتون لإطلاق سلسلة المفاصل المشحونة، والتي بدورها تنتج الضوء الأزرق عن طريق تعطيل الجزيئات في الهواء. يقع الكشف عن هذا الإشعاع لدراسة أشعة غاما في صميم تجربة تسمى "مصفوفة تلسكوب سيرينكوف" ، والتي يعد جان فيليب لينين جزءًا منها. إنه مشروع دولي يجمع 1400 باحث وفني حول العالم، يعملون على إعداد الجيل القادم من التلسكوبات القادرة على اكتشاف الأجسام الفضائية البعيدة. الهدف: امتلاك أدوات قوية بشكل متزايد لفهم الكون بشكل أفضل.