في فيلم "نظرية الانفجار العظيم"، وفي إطار بحثه في نظرية الأوتار، ذهب شيلدون وأصدقاؤه الثلاثة إلى القطب الشمالي المغناطيسي بحثًا عن أحاديات الأقطاب المغناطيسية. ظن شيلدون ذات مرة أنه أثبت وجود أحاديات الأقطاب المغناطيسية، وأنه سيفوز بجائزة نوبل عن ذلك.
حقوق الصورة: لقطات من فيلم The Big Bang Theory.
مع أن أحادي القطب المغناطيسي لشيلدون تبيّن أنه شاي أولونغ، إلا أن هناك عددًا لا يُحصى من العلماء في المجتمع العلمي يسعون وراء هذا الجسيم الافتراضي السحري. تنبأت عدة نظريات فيزيائية بوجود هذا الجسيم الفريد، ولكنه لم يظهر بعد.
أحادي القطب المغناطيسي
المغناطيس موجود في كل مكان في حياتنا. سواءً على ثلاجتك، أو في هاتفك الذكي، أو في بطاقتك الائتمانية، فإن جميع المغناطيسات تشترك في شيء واحد: لا بد أن يكون لها قطب جنوبي وقطب شمالي.
حتى لو قطعتَ مغناطيسًا إلى نصفين، مهما كررتَ ذلك، ومهما صغر حجمه، فلن تحصل إلا على مغناطيس جديد له قطبان شمالي وجنوبي خاصان به. تنعكس هذه الظاهرة في معادلات ماكسويل، التي تُظهر وجود شحنات موجبة وسالبة معزولة في الكون، ولكن لا توجد شحنات مغناطيسية معزولة.
أدى تطور ميكانيكا الكم خلال القرن الماضي إلى فتح فصل جديد في هذه القصة. ففي عام ١٩٣١، تنبأ ديراك بوجود جسيم أولي افتراضي ذي قطب مغناطيسي واحد فقط في الكون، وهو ما نسميه عادةً أحادي القطب المغناطيسي. جميع المغناطيسات التي رأيناها لها قطب جنوبي وقطب شمالي، لكن أحاديات القطب المغناطيسي لها قطب واحد فقط.
يعتقد العديد (وربما معظم) الفيزيائيين بوجود أحاديات القطب المغناطيسية. ويعلم الفيزيائيون بالفعل أن الكهرباء والمغناطيسية قوة واحدة في جوهرها، وإذا أمكن وجود شحنات موجبة وسالبة منفردة، كالإلكترونات ذات الشحنات السالبة فقط، فلا بد من وجود جسيمات ذات قطب مغناطيسي واحد.
نظريًا، يُفترض أن تكون أحاديات الأقطاب المغناطيسية قد نشأت في الكون المبكر، وهي مستقرة، لذا يُفترض وجود تدفق متبقٍّ من أحاديات الأقطاب المغناطيسية من الانفجار العظيم، لا يزال ينتشر في كل الفضاء. لكن جوهر المسألة هو أنه حتى يومنا هذا، لم يُكتشف وجودها قط.
البحث في الجليد والثلج
في البحث عن أحاديات الأقطاب المغناطيسية، قد يكون كاشف النيوترينو العملاق في القطب الجنوبي قادرًا على مساعدتنا.
مرصد آيس كيوب للنيوترينو هو تلسكوب "غريب الأطوار". يتألف من أكثر من 5000 مستشعر ضوئي مدفون في كيلومتر مكعب من الجليد في أنتاركتيكا، وكان يهدف في الأصل إلى دراسة النيوترينوات، وهي جسيمات أساسية خفيفة الوزن تنتشر في الكون.
الصورة: مرصد آيس كيوب، أنتاركتيكا | حقوق الصورة: آيس كيوب نيوترينو
إن النيوترينوات جسيمات مراوغة، والطريقة الوحيدة تقريبا لدراستها هي من خلال تحليل منتجات تفاعلاتها النادرة مع المادة، وهو ما يشبه دراسة الحيوانات استنادا إلى آثار أقدامها في الثلج.
إذا اصطدم نيوترينو بذرة في طبقة الجليد المحيطة بمكعب الجليد، فقد يُنتج جسيمًا مشحونًا يُسمى الميون. عندما يتحرك الميون بسرعة كافية عبر الجليد، يُنتج مخروطًا من الإشعاع الأزرق، يُعرف باسم ضوء تشيرينكوف، على طول مساره. تنتقل طاقة الضوء هذه عبر الجليد، وفي طريقها تُفعّل مستشعرات مكعب الجليد، التي تُخبر العلماء بطاقة الجسيم واتجاهه.
من المثير للاهتمام أن النيوترينوات، إن وُجدت، تُصدر أيضًا ضوء تشيرينكوف عند مرورها عبر كاشف مكعب الجليد بسرعة تقارب سرعة الضوء. ولكن هناك ما يميزها، وهو سطوعها المذهل. تُصدر أحاديات الأقطاب المغناطيسية ضوء تشيرينكوف أكثر بنحو 8000 مرة من الميونات، ويتوزع انبعاث هذا الضوء بشكل متساوٍ على طول مسارها. وهذا يُنتج نمطًا فريدًا ومتميزًا من السمات في مكعب الجليد.
أحاديات الأقطاب المغناطيسية، الميونات المخترقة، جسيمات الدش، الميونات المظلمة
من المفترض أن تترك أحاديات الأقطاب المغناطيسية أثرًا واضحًا جدًا في مكعب الجليد في القطب الجنوبي. يمثل اللون الأزرق كاشف مكعب الجليد، ويمثل الخط المنقط مسار الجسيم. تمثل المناطق الملونة حول المسارات أنماط ضوء تشيرينكوف المنبعثة من أنواع مختلفة من الجسيمات. تشير الألوان من الأحمر إلى الأخضر إلى وقت توليد الضوء من أول إلى آخر جسيم. | حقوق الصورة: ألكسندر بورغمان، تعاون مكعب الجليد
لهذا السبب، قرر علماء آيس كيوب البحث عن دلائل على وجود أحاديات أقطاب مغناطيسية في بيانات آيس كيوب التي جُمعت على مدى ثماني سنوات. قاموا أولاً بتصفية الأحداث شديدة السطوع، ثم بحثوا عن انبعاثات منتظمة على طول المسار. ولأن أحاديات الأقطاب المغناطيسية قادرة على اختراق الكاشف بالكامل، كان عليهم استبعاد المسارات غير المخترقة. بعد ذلك، درّب الباحثون أداة لوصف الأحداث تعتمد على التعلم الآلي (شجرة القرار المُعزَّزة) لتمييز أحداث أحاديات الأقطاب المغناطيسية عن أحداث الميون في العينات.
أصدر الفريق مؤخرًا نتائج هذا البحث. وللأسف، لم يعثر العلماء على أي دليل على وجود أحاديات أقطاب مغناطيسية كونية.
انظر في المصادم
بالإضافة إلى التقاط أحاديات الأقطاب المغناطيسية في الكون، يعمل العلماء أيضًا على "إنشاء" مثل هذه الجسيمات في المختبر.
لقد نجح فريق جديد من التجارب في مصادم الهدرونات الكبير (LHC)، والذي يعود إليه اكتشاف بوزون هيغز، في خلق ظروف أكثر احتمالية لإنتاج أحاديات مغناطيسية، مما يسمح للباحثين بتحسين خصائص الطفل المحتملة.
عادةً ما يُحطّم مصادم الهدرونات الكبير (LHC) البروتونات عند طاقات عالية جدًا. ولكن في عام ٢٠١٨، حطّم المصادم جسيمًا مختلفًا، أيونًا ثقيلًا، وتحديدًا نواة رصاص. تحتوي هذه الجسيمات على مئات البروتونات والنيوترونات، وهذه الطبيعة الثقيلة تعني أنها لا تتصادم إلا عند طاقات أقل من تصادمات البروتون الواحد.
ومع ذلك، إذا انحرفت هذه النوى الرصاصية أو مرت قريبة جدًا عن طريق الخطأ، فقد يُنتج تفاعلها شيئًا مذهلًا، وهو أحد أقوى المجالات المغناطيسية المعروفة في الكون، أقوى من تلك الموجودة في النجوم النيوترونية. المجال المغناطيسي أقوى بمليون مرة. لا تدوم هذه المجالات المغناطيسية إلا لفترة قصيرة جدًا، لكن وجودها يوفر آلية مختلفة لإنشاء أحاديات القطب المغناطيسية.
محاولات لإنشاء أحاديات أقطاب مغناطيسية عن طريق تصادم أيونات ثقيلة. | حقوق الصورة: جيمس بينفولد، تعاون MoEDAL
تتبع النظرية آليةً تُنتج "نسخةً كهربائيةً" من أحادي القطب. اقتُرحت آلية شفينغر في ثلاثينيات القرن الماضي، واعتقدت أن المجال الكهربائي القوي سيتفاعل مع التقلبات الكمومية في الفراغ، مُكوّنًا "أقطابًا أحادية كهربائية" موجبة وسالبة (إلكترونات وبوزيترونات). وبالمثل، يتوقع العلماء أن المجال المغناطيسي القوي سيُنتج أحاديات مغناطيسية شمالية وجنوبية.
بخلاف تصادمات البروتونات، حيث تنشأ الجسيمات من تصادم عنيف واحد، تنشأ الجسيمات في آلية شفينغر من عدد كبير من التفاعلات الصغيرة. ويمكن للباحثين وصف هذه التأثيرات نظريًا.
الأهم من ذلك، أن هذا سمح للباحثين بالتنبؤ بعدد أحاديات القطب التي ستنتجها الآلية. يعتمد هذا التنبؤ على ثقل أحادي القطب المغناطيسي. ببساطة، إذا كانت ثقيلة جدًا، فلن يمتلك قلب الرصاص في مصادم الهدرونات الكبير طاقة كافية لإنتاجها.
ووجد الباحثون أن هذا هو الحال في تجربة أجريت عام 2018، عندما فشلوا في إنشاء أحادي القطب المغناطيسي.
بالنسبة للعلم، حتى النتائج السلبية لها آثار إيجابية. فهي لا تزال تتيح لنا استكشاف جوهر الطبيعة. كما تُظهر هذه التجارب أنه في حال وجود أحاديات القطب المغناطيسية، يجب أن يتجاوز وزنها حدًا معينًا (75 جيجا إلكترون فولت/ثانية مربعة). نُشرت النتائج الجديدة مؤخرًا في مجلة نيتشر.
لغز مفقود
لا يزال لغز اختفاء أحادي القطب المغناطيسي دون حل، لكن العديد من الفيزيائيين ما زالوا يعتقدون أن هذا لا يعني عدم وجوده. في نموذجنا "المفضل" الحالي للكون المبكر، يُعد أحادي القطب المغناطيسي جسيمًا "إضافيًا".
إذا تبين أنها غير موجودة حقًا، فسوف يتعين علينا إعادة التفكير في الافتراضات الأكثر أساسية في نموذجنا الحالي للعالم.