في هذه اللحظة، ينفرد شخص واحد بجائزة نوبل للفيزياء!

Jay من قاعة Ao Fei Si
量子位 | الحساب الرسمي QbitAI

في وقتٍ مبكر للتو، أُعلن عن جائزة نوبل في الفيزياء.

هذه المرة لا يوجد أي تعادل، والفائز هو شخص واحد فقط، من جامعة ويسكونسن-ماديسون الأمريكية، وهوفرانسيس هالزن(فرانسيس هالزن).

إذا كنت لا تعرف هذه الجامعة، فمن المؤكد أنك ستعرف على الأقل أحد خريجيها البارزين في مجال الإنترنت والتكنولوجيا الصينية —

مؤسس شركة Pinduoduo،هوانغ تشنغ。

إذن، لماذا حصل Francis على الجائزة في النهاية؟

وهذا ما قاله المسؤولون:

تقديرًا لإسهامه الحاسم في مرصد آيس كيوب (IceCube) للأسرات النيوترينو في القطب الجنوبي، و لاكتشافه النيوترينوات عالية الطاقة ذات الأصل الفيزيائي الفلكي.

وعلى وجه التحديد، قام بسحب من عمق يزيد عن 2000 متر تحت سطح الأرض في القطب الجنوبي1 كيلومتر مكعبمن الجليد النقي، حُوّل عنوةً إلى تلسكوب عملاقفائق لالتقاط الجسيمات الشبحية الكونية。。。

اليوم، حتى توجد في القارة القطبية الجنوبية هضبة تحمل اسمه، تُدعىHalzen Mesa。

لماذا نصطاد "الأشباح" في الجليد العميق بالقارة القطبية الجنوبية؟

ظل في الكون لغز نهائي حائر لفيزيائيين منذ قرن: تلك الأشعة الكونية عالية الطاقة إلى حد مبالغ فيه، من أين تُطلق في الواقع؟

توجد في الكون مسرّعات جسيمات طبيعية تقذف بروتونات طاقتها أعلى بملايين المرات من أقوى مسرّع في مختبرات الأرض. لكن البروتونات مشحونة كهربائياً، فعند اندفاعها في الكون تعوجها الحقول المغناطيسية بين النجوم اضطراباً شديداً، وحين تصل إلى الأرض لا يستطيع أحد تمييز اتجاه مصدرها.

كيف يمكن إيجاد المصدر الحقيقي؟

حوّل الفيزيائيون أنظارهم إلى النيوترينوات.

النيوترينو هو أخجل جسيم في الكون؛ لا يحمل شحنة، وكتلته ضئيلة للغاية. ففي كل ثانية تمر65 مليار نيوترينومن الشمس عبر لوح ظفرك الإبهام، دون أن تشعر بشيء على الإطلاق.

الأماكن التي تُسرَّع فيها البروتونات عالية الطاقة غالباً ما يصاحبها إنتاج نيوترينوات عالية الطاقة. النيوترينو لا يحمل شحنة، ولا يتأثر بالمجالات المغناطيسية، ولا تعيقه بقايا الغبار بين النجمي، فهو كهدف مستقيم يشير مباشرة إلى مسقط رأسه في أعماق الكون.

لكن كيف نجده؟

أحياناً يصطدم النيوترينو بنواة ذرية، فينتج جسيمات مشحونة تصدر ضوءاً أزرق خافتاً للغاية. وطالما كانت الوسط شففاً بدرجة كافية وحجمه كبيراً بما يكفي، يمكن لمستشعرات حساسة للضوء تسجيل مساره.

على الرغم من أن أعماق المحيط شفافة، إلا أنها تحتوي على كائنات حية مضيئة نابضة بالحياة، إضافة إلى تداخل التيارات المحيطية. في عام 1980، اقترح Halzen فكرة جريئة: لنتوجه إلى القطب الجنوبي ونستخدم طبقات الجليد الطبيعية!

استخدام الماء الساخن لحفر آبار بعمق 2.5 كيلومتر، وصنع عين عملاقة تحت الجليد بحجم 1 كيلومتر مكعب

اصطياد الجسيمات في القطب الجنوبي المغطى بالثلج يبدو كحكاية من الخرافات.

طبقات الجليد في أعماق القطب الجنوبي تكمن في ظلام دامس تمامًا، دون إزعاج من الكائنات البحرية، والبنية الجيولوجية فيها مستقرة للغاية دون اهتزازات أرضية. المشكلة الوحيدة المزعجة هي: كيف نُدخل المستشعرات إلى داخل جليد سماكته تتجاوز ألفي متر؟

ابتكر فريق البحث حلاً صلبًا للغاية — استخدام رؤوس حفر مائية فائقة الحرارة مصممة خصيصًا لإذابة طبقات جليد القطب الجنوبي على شكل آبار عميقة تتجاوز عمقها ألفي متر، ثم غمر الكابلات المعلّق بها مستشعرات ضوئية حساسة بسرعة في الماء المتجمد.

شبّه Halzen هذه المستشعرات بالمصابيح المقلوبة: فهي لا تتولى الإضاءة، بل تقتصر مهمتها على التقاط إشارات الضوء الضعيفة وتحويلها إلى إشارات كهربائية.

عند انطلاق التجربة التمهيدية المبكرة AMANDA، كان الجميع يشعر بالقلق. فالجليد الضحل مليء بفقاعات دقيقة تتشتت الأشعة الضوئية وتتبعثر بمجرد اختراقها.

لكن عندما وصل رأس الحفر إلى ما دون1400 متر، حدثت المعجزة — الضغط العالي سحق الفقاعات وضغطها بالكامل، وتبين أن الجليد تحتها نقي وشفاف إلى درجة مذهلة. بل إن الضوء الأزرق الناتج عن اصطدام النيوترينوهات قادر على الانتشار داخل الجليد لمسافة300 مترقبل أن يُمتص!

وبعد التحقق من جدوى الفكرة، بدأ مشروع IceCube عمله رسميًا.

وبحلول اكتماله عام 2011، كان مشروع IceCube بأكمله مدفونًا في أعماق جليد القطب الجنوبي على عمق يتراوح بين1450 و2450 مترًا، ويتكون من86 كابلًا、و5160 مستشعرًا ضوئيًا، محوّلًا1 كيلومتر مكعبمن الأنهار الجليدية الطبيعية إلى تلسكوب للنيوترينوهات لا مثيل له في التاريخ.

اصطياد أشباح الكون وفتح باب جديد كليًا لعلم الفلك

حتى مع وجود هذا التلسكوب العملاق، يظل البحث عن إشارات قادمة من الأعماق كالبحث عن إبرة في كومة قش.

تمر يوميًا عبر الكواشف أكثر من مئة مليون جسيم من الأشعة الكونية من الغلاف الجوي فوق القطب الجنوبي، كما تخترق الأرض مئات النيوترينوات القادمة من الغلاف الجوي على الجانب الآخر من الأرض عبر القشرة الأرضية.

إن غربلة النيوترينوات عالية الطاقة القادمة فعلًا من الكون البعيد وسط ضجيج خلفي هائل يمثل تحديًا في معالجة البيانات هائل للغاية.

في عام 2013أعلن فريق IceCube أخيرًا عن أول رصد واضح لنيوترينوات كونية عالية الطاقة قادمة من خارج المجموعة الشمسية. وحصد هذا الإنجاز مباشرة جائزة الإنجاز الكبرى لهذا العام من مجلة 《Physics World》.

وخلال السنوات التالية، ظهرت الأدلة الحاسمة تباعًا:

سجّل العلماء 79 إشارة مرشحة لنيوترينوات في اتجاه المجرة النشطةNGC 1068تم رصد 79 إشارة مرشحة للنيوترينو في اتجاه (M77)، مما مكّن من تحديد مصادر فلكية متطرفة محتملة.

وفي عام 2023، رسم فريق IceCube لأول مرة صورة النيوترينوات عالية الطاقة لمستوى درب التبانة، مما سمح للبشرية لأول مرة برؤية درب التبانة بكاملها عبر عيني النيوترينوات.

بعد أن مرّ علم الفلك بالضوء المرئي والراديو وأشعة إكس وموجات الجاذبية، فُتح باب علم فلك النيوترينوات عالية الطاقة على مصراعيه.

صاحب جائزة نوبل: من فيزياء الهادرونات إلى بناء تلسكوب تحت الجليد

هذا الفيزيائي الحائز وحده على جائزة نوبل في الفيزياء، Francis Halzen، يبلغ من العمر هذا العام 82 عامًا.

وُلد عام 1944 في تينن البلجيكية، وحصل على درجة الدكتوراه عام 1969 من جامعة لوفان البلجيكية (KU Leuven)، وتركّزت أبحاثه المبكرة على الجسيمات الثقيلة المكونة من الكواركات وانكسار التماثل في فيزياء الهادرونات.

بعد إتمام أبحاث ما بعد الدكتوراه، انتقل إلى جامعة ويسكونسن في ماديسون بالولايات المتحدة، ويعمل فيها منذ عام 1972 أستاذًا في قسم الفيزياء.

وشارك في تأليف الكتاب الدراسي الكلاسيكي 《Quarks and Leptons》 الذي رافق أجيالًا من طلاب فيزياء الجسيمات حول العالم في مسيرتهم الدراسية.