آرثر ب. ماكدونالد: الفيزيائي الذي اتجه إلى عمق كيلومترين تحت الأرض

على عمق كيلومترين تحت سطح أونتاريو، وداخل منجم نيكل نشط بالقرب من سودبوري، قضى آرثر ماكدونالد (Arthur McDonald) أكثر من عقد من الزمان في تشغيل تجربة كانت بحاجة لأن تُحجب عن كل جزيء تقريباً على سطح الأرض لكي تتمكن من التقاط الجزيئات المتساقطة من الشمس. عندما ظهرت الأرقام أخيراً في عام 2001، وصف ذلك بأنه "لحظة يوريكا" الخاصة به: النيوترينوات، وهي الجسيمات الشبحية التي افترض الفيزيائيون أنها عديمة الكتلة، كانت تغير هويتها أثناء الطيران - وهو دليل على أنها تحمل كتلة في النهاية.

من سيدني، نوفا سكوشا، إلى معهد كاليفورنيا للتقنية

وُلد آرثر بروس ماكدونالد (Arthur Bruce McDonald) في 29 أغسطس 1943، في سيدني، نوفا سكوشا، وظل قريباً من وطنه في تعليمه المبكر، حيث حصل على درجة البكالوريوس في عام 1964 ودرجة الماجستير في عام 1965 في الفيزياء من جامعة دالهاوزي (Dalhousie University). ثم عبر القارة للقيام بعمل الدراسات العليا في معهد كاليفورنيا للتقنية (California Institute of Technology)، حيث أكمل الدكتوراه في الفيزياء النووية في عام 1969 تحت إشراف المستشار تشارلز أ. بارنز (Charles A. Barnes)، بأطروحة حول طاقات الإثارة وخصائص الاضمحلال لحالات نووية محددة في الأكسجين-17، والفلور-17، والصوديوم-21 - وهو عمل تقني غير براق كان نموذجياً لفيزيائي نووي شاب يجد طريقه قبل الاكتشاف الذي سيحدد مسيرته المهنية.

من تشوك ريفر إلى برينستون

قضى ماكدونالد حياته المهنية المبكرة إلى حد كبير داخل مؤسسة الأبحاث النووية الكندية، كمسؤول أبحاث في مختبرات تشوك ريفر النووية (Chalk River Nuclear Laboratories) من عام 1969 إلى عام 1982، كجزء من البرنامج الرئيسي للبلاد في فيزياء المفاعلات والجسيمات. ثم انتقل إلى منصب أستاذ في جامعة برينستون (Princeton University) من عام 1982 إلى عام 1989، قبل أن يعود إلى كندا للانضمام إلى جامعة كوينز (Queen's University) في كينغستون، أونتاريو، في عام 1989 - وهو نفس العام الذي أصبح فيه المدير المؤسس لتجربة جديدة وطموحة يتم بناؤها في منجم نشط على عمق كيلومترين تحت الأرض.

بناء مرصد سودبوري للنيوترينو

تم بناء مرصد سودبوري للنيوترينو (Sudbury Neutrino Observatory)، المعروف باسم SNO، داخل منجم نيكل كريتون (Creighton) تحديداً لأن عمقه الهائل من الصخور سيحمي كاشفاً حساساً للغاية من خلفية الأشعة الكونية التي تغمر سطح الأرض. وفي قلبه استقرت ألف طن من الماء الثقيل، الذي تم اختياره لأنه يمكنه تسجيل الأنواع الثلاثة، أو "النكهات"، للنيوترينو بدلاً من واحد فقط. قاد ماكدونالد تعاون SNO الدولي خلال بناء المشروع، وبمجرد بدء العمليات في عام 1998، قاد سنوات من جمع البيانات المضني الذي يهدف إلى حل لغز دام عقوداً يُعرف باسم مشكلة النيوترينو الشمسية: كانت الكاشفات على الأرض تجد باستمرار ثلث النيوترينوات الإلكترونية التي توقعت الفيزياء الشمسية أن تنتجها الشمس. في أغسطس 2001، أظهرت نتائج SNO السبب - النيوترينوات المفقودة لم تختفِ، بل غيرت نكهتها، وتذبذبت من نيوترينوات إلكترونية إلى نيوترينوات ميوون وتاو في رحلتها من قلب الشمس إلى عمود منجم أونتاريو. لا يمكن لهذا التذبذب أن يحدث إلا إذا كانت النيوترينوات، على عكس الافتراضات الأصلية المدمجة في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، تمتلك كتلة صغيرة ولكنها غير صفرية.

جائزة نوبل تقاسمها طرفا المحيط الهادئ

ذهبت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2015 بشكل مشترك إلى ماكدونالد والفيزيائي الياباني تاكاكي كاجيتا (Takaaki Kajita)، الذي وجدت تجربته "سوبر كاميوكاندي" (Super-Kamiokande) بشكل مستقل أدلة على تذبذب النيوترينو باستخدام النيوترينوات الجوية بدلاً من الشمسية. اعترف الاقتباس بكلا الرجلين "لاكتشاف تذبذبات النيوترينو، التي تظهر أن النيوترينوات لها كتلة" - وهي نتيجة اعتبرتها لجنة نوبل ومجتمع الفيزياء الأوسع أول صدع مؤكد في النموذج القياسي، وهو الإطار الذي توقع سلوك الجسيمات بدقة ملحوظة لعقود. واصل ماكدونالد حصد سلسلة من الأوسمة ذات الصلة: ميدالية بنجامين فرانكلين في الفيزياء في عام 2007، وانتخابه زميلاً للجمعية الملكية في عام 2009، وجائزة كيلام في العلوم الطبيعية في عام 2010، وميدالية هنري مارشال توري في عام 2011، وجائزة جوزيبي وفانا كوكوني للفيزياء الفلكية للجسيمات في عام 2013، وتعيينه رفيقاً لوسام كندا في عام 2015، وجائزة الاختراق في الفيزياء الأساسية التي تقدر بملايين الدولارات، والتي تقاسمها بين فريقي SNO وسوبر كاميوكاندي. تم تسمية كويكب باسمه في عام 2016، وهو 229781 Arthurmcdonald.

مختبر SNOLAB، المادة المظلمة، وتحويلة وبائية

لم تُغلق المنشأة تحت الأرض التي بناها ماكدونالد لـ SNO عندما انتهت تجربة النيوترينو؛ بل تم توسيعها إلى مختبر SNOLAB، وهو واحد من أعمق وأنظف مختبرات العلوم تحت الأرض في العالم، حيث واصل ماكدونالد البحث في فيزياء النيوترينو والبحث عن المادة المظلمة كأستاذ فخري في جامعة كوينز. أثبتت مهاراته أيضاً أنها مفيدة خارج فيزياء الجسيمات: خلال جائحة كوفيد-19، ساعد ماكدونالد في قيادة الجهود الهندسية وراء "جهاز التنفس الصناعي الميكانيكي ميلانو" (Mechanical Ventilator Milano)، وهو تصميم مفتوح المصدر وقابل للإنتاج الضخم لأجهزة التنفس، وهو عمل حظي بدعم عام من رئيس الوزراء الكندي جاستن ترودو (Justin Trudeau) بينما كانت المستشفيات تواجه نقصاً في المعدات.

لماذا يُطلق على آرثر اسم عبقري

إن ادعاء ماكدونالد بالعبقرية يتعلق بدرجة أقل بومضة من البصيرة النظرية وبدرجة أكبر بالانضباط الهندسي والتنظيمي المستدام، والشبه عنيد، المطلوب للإجابة على سؤال أخفته الطبيعة بشكل جيد للغاية. تتفاعل النيوترينوات بضعف شديد مع المادة العادية لدرجة أن تريليونات منها تمر عبر جسم الإنسان كل ثانية دون أي تأثير؛ لذا فإن اكتشاف الجزء الضئيل الذي يتفاعل، بشكل نظيف بما يكفي للتمييز بين نكهة وأخرى، تطلب بناء وتشغيل واحد من أكثر الأدوات عزلة ودقة في المعايرة التي تم بناؤها على الإطلاق، على عمق كيلومترين تحت الأرض، على مدى الجزء الأكبر من عقدين من الزمن. هذه ليست عبقرية فكرة مفاجئة بل عبقرية الصبر التجريبي الدؤوب - تصميم جهاز حساس بما يكفي لالتقاط ما لم يلتقطه أحد من قبل، والحفاظ على تعاون دولي لفترة كافية للحصول على إجابة واضحة. المؤهل الصادق هو أن الفكرة الأساسية لتذبذب النيوترينو لم تكن ملكاً لماكدونالد وحده: فقد اقترحها المنظرون في وقت سابق، وتوصل فريق تاكاكي كاجيتا إلى نتيجة موازية بشكل مستقل باستخدام نيوترينوات مختلفة تماماً، وهذا هو السبب الدقيق لتقسيم جائزة نوبل. كانت مساهمة ماكدونالد المميزة هي إثبات ذلك بشكل حاسم، من خلال تجربة كانت جسارتها المادية المطلقة - الماء الثقيل، منجم نشط، حجب الأشعة الكونية على هذا النطاق - إنجازاً في الفيزياء التطبيقية والقيادة بقدر ما كانت في النظرية.

الإرث

أعادت نتيجة تجربة SNO صياغة افتراض أساسي في فيزياء الجسيمات وتركت خلفها مختبر SNOLAB كقطعة دائمة من البنية التحتية العلمية، والتي تستضيف الآن عمليات البحث عن المادة المظلمة وتجارب أخرى عميقة تحت الأرض كان من المستحيل إجراؤها في أي مكان آخر على الأرض. لا يزال ماكدونالد نشطاً في الأبحاث حتى سن الثمانينيات، وهو يظل واحداً من أكثر العلماء تكريماً في كندا ووجوداً مستمراً في المختبر تحت الأرض الذي بناه لأول مرة لالتقاط حفنة من الجسيمات المراوغة من الشمس.