النيوترينوات: الجسيمات الشبحية الغامضة ومحاولات العلماء لأصطيادها وفك طلاسمها الغريبة

مصائد النيوترينوهات ، المصدر | CNRS News

مقدمة

النيوترينوات هي جسيمات دقيقة دون ذرية وهي خفية مثل الأشباح. تعبر تريليونات منها من خلالنا في كل ثانية دون أن تترك أي أثر. وغالبًا ما تأتي من التفاعلات النووية*1 التي تمد شمسنا بالطاقة، ولكن على عكس أشعة الشمس التي نراها ونشعر بها على وجوهنا، فإن هذه الجسيمات الشبحية لا تتفاعل غالبًا مع المواد التقليدية. و"لرؤية" النيوترينوات، يصنع العلماء أجهزة كشف ضخمة وحساسة، وغالبًا ما تكون في أعماق الأرض. تساعد المادة التي يتكون منها كوكب الأرض في حماية الإشارات من الجسيمات الأخرى، حتى تحظى إشارات التفاعلات النادرة للنيوترينوات بالفرصة للكشف عنها. هذا وتساعد أجهزة الكشف العملاقة هذه العلماء في التقاط "الرسائل" التي تحملها هذه الجسيمات الشبحية. عندما يفك العلماء شفرة الرسائل، فإنهم يتعلمون العلاقة بين النيوترينوات وتركيب النجوم والمجرات والكون وتاريخها.

ملاحظة: "النيوترينوات" أو "النيوترينوهات" كلتاهما جمع كلمة "نيوترينو" ، يعود سبب الأختلاف البسيط بسبب أختلاف فقهاء اللغة العربية في جمع الكلمات المقتبسة من اللغات الأخرى والتي تنتهي بالحرف "و" ، رغم أن الغالبية منهم يقول بأضافة حرف ال "هـ" قبل أضافة حروف الجمع ، أي " نيوترينوهات".

ما هو النيوترينو؟

النيوترينوات هي جسيمات خفيفة للغاية لا تحتوي على شحنات كهربائية. تنبعث النيوترينوات عند انحلال أنوية ذرية غير مستقرة، ويحدث هذا الانحلال الإشعاعي*2 في كل مكان من حولنا. تتحلل المعادن الموجودة في الصخور، حتى البوتاسيوم في الموز لإنتاج النيوترينوات (انظر الشكل 1). لكن تأتي النيوترينوات من التفاعلات النووية في الشمس أكثر من أي مصدر آخر.

ويمكن تصنفيها بذلك مع جسيمات فصيلة الفرميون. والفرميونات هي جسيمات يمكن أن تشكل حالات كمومية مركبة ذات لا تناظر تام, نتيجة لذلك فهي تخضع لمبدأ باولي في الانتفاء وتخضع لاحصاء فيرمي-ديراك.

حسب مبرهنة احصائيات السبين يجب أن يمتلك الفرميون دورانا أو إلتفافا أو سبينا (spin) نصف صحيح. تصنف جميع الجسيمات الأولية كفرميونات أو بوزونات, أما الجسيمات المركبة المؤلفة من فرميونات فيمكن أن تكون اما بوزونات أو فرميونات حسب قيمة سبينها الكلي.

تؤلف الفرميونات الجسيمات الأولية التي تتشكل منها المادة, وتصنف هذه الفرميونات المادية ضمن مجموعتين: كواركات (التي تضم البروتونات و النيترونات) ولپتونات (تضم الالكترونات).

كانت فرضية النيوترينو قد اقترحت في 1930 بواسطة ولفجانج بولي لإبقاء مبادئ بقاء الطاقة, حفظ الدفع, وحفظ الدفع الزاوي في تحلل بيتا—عملية تحول النيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو ، طبقا للمعادلة:^[3]

n0 → p+ + e− + ν0

اقرأ ايضاً :علماء يكتشفون طريقة جديدة تساهم في تحلل البلاستك عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية

اقترحت نظرية باولي أن جسيما لا يمكن إدراكه كان يحمل معه الفرق الملاحظ بين الطاقة، الزخم والزخم الزاوي للجسيمات الأولية والجسيمات النهائية.

اقترح وجود النوع الأول عام 1930 وأطلق عليه ν_e ثم ν_μ أواخر الأربعينات وأخيرا ν_τ أواسط 1970 كما تم اكتشاف النوع الأول عام 1956 والثاني عام 1962 والأخير عام 2000.

وفقا لقوانين النظرية النسبية لأينشتاين ، إذا كانت النيوترينوات لها كتلة لاصفرية فينبغي ألا تصل إلى سرعة الضوء ولكن لم تثبت حتى اليوم تجارب دقيقة تؤكد كتلتها ولكن على الأقل فقد تأكد العلماء من خلال تجار أجريت في الثمانينات من القرن الماضي بأن سرعتها ليست أكبر من سرعة الضوء وإن كانت القيم التي حصلوا عليها أكبر بقليل(1.000051 من سرعة الضوء) فلا زالت ضمن مبدأ الريبة.^[4] في أواخر سبتمبر 2011، كشفت قياسات أجراها خبراء في إطار الاختبار الدولي "أوبرا"، أن نيوترينوات اجتازت نفقاً يبلغ طوله 730 كيلومترا يفصل بين منشآت المركز الأوروبي للأبحاث النووية "سيرن" في جنيف ومختبر "سان جراس" في إيطاليا بسرعة 300006 كيلومترات في الثانية، أي 6 كيلومترات في الثانية أكثر من سرعة الضوء (1.00002 قدر سرعة الضوء). ونشر علماء المركز الأوروبي للأبحاث النووية "سيرن"، نتائج التجربة المعروفة باسم "تجربة أوبرا" الجمعة، والتي استخدمت فيها أجهزة قياس ورصد فائقة الدقة، لرصد سرعة 15 ألف "نيوترينو"، أثناء انتقالها من مركز "سيرن" في سويسرا، إلى مركز أبحاث "غران ساسو"، قرب العاصمة الإيطالية روما. هذا الكشف الأخير حير العلماء ولم تعد المسألة ضمن حدود مبدأ باولي وقد يضطرون إلى إعادة النظر في العديد من قوانين الطبيعة بما فيها النسبية الخاصة والعامة.

شكل 1 - انحلال ذرة مشعة، البوتاسيوم 40، الموجودة في الموز وبها 40 من البروتونات (p) والنيوترونات (n) في نواتها، إلى الكالسيوم 40 زائد إلكترون (e-)، وجسيم "شبحي" حامل للرسائل متعادل الشحنة يسمى نيوترينو (الحرف اليوناني ν ينطق "nu").

قد يساعدك فهم سلوك النيوترينوات في الكشف عن أسرار الكون المهمة. مصدر الصورة:Tiany Bowman، مختبر بروكهافن الوطني.

تقدر قيمة لف النيوترينوات (كمية التحرك الزاوي) بـ1/2، ويمكن تصنفيها بذلك مع جزيئات الفرميون. كان العلماء وإلى عهد قريب يعتقدون أن وزن هذه الجزيئات يساوي الصفر، غير أن التجارب التي أجريت مؤخرا أثبتت أنه ورغم كون هذه الجزيئات صغيرة جدا إلا أن وزنها يختلف عن الصفر.

وبغض النظر عن مصدر النيوترينوات، فإنها غير ضارة تمامًا لأنها لا تلتصق ببعضها أو تتفاعل مع الكثير من الأشياء. فهي تتدفق من الشمس ومن الفضاء الخارجي، وتمر مباشرة عبر المادة العادية، حتى أجسامنا وكوكب الأرض ذاته، دون أن نعلم بذلك. وبهذه الطريقة، فإنها تبدو كالأشباح، ولكنها غير مرئية، ولكن لأن النيوترينوات تحمل معلومات حول ما يحدث داخل مراكز النجوم والمجرات، يرغب العلماء في معرفة مزيد من المعلومات عنها. قد تساعدنا النيوترينوات على فهم ما كان يحدث عند تشكل الكون لأول مرة منذ ما يقرب من 14 مليار سنة.

اضطر العلماء لاستنباط وجود النيوترينو بسبب ظاهرة تحلل بعض النظائر المشعة عن طريق إطلاق أشعة بيتا الني هي عبارة عن إلكترونات. فعند تحلل العنصر المشع إلي عنصر آخر يحدث فقد معين في الطاقة، هذا الفقد في الطاقة عبارة عن الفرق بين طاقة العنصر المشع وطاقة العنصر الناتج. والمفروض لاحترام قانون عدم فناء الطاقة أن يحمل الإلكترون المنطلق من نواة الذرة والخارج علي هيئة شعاع من أشعة بيتا أن يحمل هذا الفرق في الطاقة، ولكن القياسات تبين أن الإلكترون يحمل طاقة أقل من الطاقة المفروضة خلال التحلل، لهذا افترض العالم الأمريكي فولفغانغ باولي عام 1930 وجود جسيم صغير يحمل تلك الطاقة الناقصة التي لا نراها واطلق عليه اسم نيوترينو حيث أنه لا يحمل شحنة كهربية.

من المعتقد أن حوالى عن 50 ترليون نيوترينو شمسي تخترق الجسم البشري كل ثانية. في أواخر سبتمبر 2011، أعلن العلماء عن نتائج تجارب استمرت بضع سنوات تأكد خلالها أن سرعة النيوترينات أسرع قليلاً من سرعة الضوء الأمر الذي قد يعيد صياغة قوانين النسبية والفيزياء الحديثة.

يعتبر علماء الفيزياء عام 2002 "عام النيوترينو" عندما حاول العالم ريموند دافيز بجامعة بنسلفانيا تحسس نيوترينوات الشمس من خلال تصوير مسبار سوهو للأشعة الحمراء بها، واكتشف أن الشمس تبث كميات أقل من المتوقع من هذه الجسيمات الشبحية دون الذرة.حيث بينت حسابات النماذج القياسية أن الإشعاعات الشمسية تبلغنا عن عدد النيوترينوات التي تتولد نتيجة التفاعلات النووية بقلب الشمس.وهذه النماذج بينت أن النيوترينو خامل ويمكن أن يمر بالأرض بتآثر ضعيف جدا معها. وقد تمكن العالم دافيز من أسر بعضها في مجـس هائل يتحسسها تحت الأرض بعيدا عن تأثيرات الأشعة الكونية التي قد تؤثر على نتائج قياساته. وحصر قليلا منها. فلاحظ أن الكمية ثلث ما كان متوقعا في نظرية النيترينو. ولما كان قد عرف أن النيوترينو يوجد في ثلاثة أنواع. كل منها مرتبط بجسيم دون ذري آخر. ويخمن بعض علماء الفيزياء أن نيوترينوات شمسية بذاتها تتحول للنوع الآخر مما يصعب قياسها.وهذا النوعان يطلق عليهما نيوترينو ميون (muon-neutrinos) ونيوترينو-تاو (tau-neutrinos). وعلي عكس ما يقال بأن النترينو بلا كتلة وإلا من المستحيل تحويلها من نوع لآخر. وهذه المستجدات دفعت الباحثين لتجديد النماذج الفيزيائية التي تصف التفاعلات الداخلية لكل الجسيمات الأساسية في الكون. كلما كان تمدد الكون بسرعة تقارب سرعة الضوء كلما ثقلت موازينه وزادت كتلته وزاد حجمه. عكس نظرية آينشتاين في النسبية، والقائلة أن الأجسام كلما زادت سرعتها لتصل حدا يقرب من سرعة الضوء زادت كتلتها وانكمشت في الحجم (لا تتمدد). لهذا تمدد الكون لا يخضع للنظرية النسبية لآينشتاين. فالكون يغص بالنيوترينوات التي تشكل كتلة النيوترينو منها جزءا متدنيا من كتلة الإلكترون. وكل ثانية تمر علينا تخترق أجسامنا تريليونات النيوترينوات التي تتصل إلى الأرض ولا تضرنا. واكتشاف أن النيوترينوات لها أوزان سوف تفصح عن بعض الموادالمخفية بالكون والتي تمسك المجرات والعناقيد المجراتية معا. فالنيوترينوات ما زالت ألغازا وقد بدأ فهمها مؤخرا.

قياس النيوترينو خلال تحلل بيتا المحفز

في عام 1942 أقترح كان-شانج وانج استخدام امتصاص أشعة بيتا من أجل قياس النيوترينو .

وفي 20 يوليو 1956 نشرت مجلة سايانس Science العلمية بحثا للفيزيائيين كلايد كووان و فريدريك راينس وباحثين آخرين معهم يؤيد أنهم قاموا بقياس النيوترينو والتحقق من وجوده. وقد حازا على ذلك الاكتشاف بعد مدة طويلة على جائزة نوبل للفيزياء عام 1995.

وتعرف تلك التجربة الآن بتجربة كووان-راينس للنيوترينو ، حيث صوبت نيوترينوات صادرة من مفاعل نووي ناشئة من تحلل بيتا إلى بروتونات ونتج عن التفاعل نيوترونات وبوزيترونات، طبقا لمعادلة التفاعل:.

${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+{\mbox{p}}^{+}\rightarrow {\mbox{n}}+{\mbox{e}}^{+}}$

اقرأ ايضاً :افتراض جديد للأبعاد الإحدى عشر لنظرية الأوتار الفائقة

والبوزيترون [الموجب الشحنة ] سرعان ما يجد إلكترونا وينفنيا معا مصدران شعاعين من أشعة جاما ، ويمكن عد أشعة جاما الناشئة. ويمكن قياس النيوترون الناشئ عة طريق امتصاصه بنواة ذرة مناسبة ، وينتج عن الامتصاص أيضا شعاعا من أشعة جاما.

ويؤكد التزامن بين اصدار أشعة جاما الناشئة من إفناء البوزيترون وأصدار شعاع جاما الناشئ عن امتصاص النيوترون _ أي حدوثهما وتسجيلهما في نفس اللحظة - التفاعل الذي قام به نقيض النيوترينو.

وبذلك تحقق أن ما اقترحته النظرية وما وجدته التجربة إنما كان هو نقيض النيوترينو. ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

نقيض النيوترينو

نقيض النيوترينو أو مضاد النيوترينو بالإنجليزية Antineutrino هو الجسيم المضاد للنيوترينو يحمل شحنة محايدة تنتج عن تحلل بيتا وهو تحلل يحدث لبعض الأنوية الذرية. يصحب هذا الجسيم انبعاث جسيم بيتا حينما يتحول نيوترون إلى بروتون. يبلغ عزمه المغزلي 1/2 وهو ينتمي إلى عائلة الليبتونات. جميع النيوترونات المضادة التي خضعت للمراقبة كان عزمها المغزلي من جهة اليمين وهو عكس لف النيوترونات. تتفاعل النيوترونات المضادة مع المادة إما بقوى الجاذبية أو التآثر الضعيف لذا يصعب العثور عليها مخبريا. اكتشفت النيوترونات المضادة لأول مرة كنتيجة لتفاعلها مع نواة ذرة الكادميوم في خزان كبير للمياه. ثبت هذا الخزان بجانب مفاعل نووي كمصدر للنيوترونات المضادة. تشير تجارب تذبذب النيوترينو إلى أن مضاد النيوترينو لها كتلة لكن تجارب تحلل بيتا تصغر من قيمتها.

جميع النيوترونات المضادة التي خضعت لمراقبة كان لفها من جهة اليمين وهو عكس لف النيوترونات. 

بما أن النيوترينوات ومضادتها محايدة كهربائيا فيرجح أنها نفس الجسيم. والجسيمات التي تمتلك هذه الخاصية تعرف بجسيمات ماجورانا. إذا كانت النيوترينوات جسيمات ماجورانا فإن تحلل بيتا الثنائي قد يتحقق وقد بدأت بعض التجارب بحث هذه المسألة. بدأ الباحثون حول العالم التحقيق في إمكانية قياس نقيض النيوترينو كوسيلة لمراقبة المفاعلات لمنع الانتشار النووي في إطار معاهدة منع الانتشار النووي.

كيف ترصد جسيمًا شبحيًا!

نادرًا ما تتفاعل النيوترينوات مع المادة العادية، لذا يصعب اكتشافها. إذا وضعت كوبًا من الماء على طاولة، فسيمر تريليون من النيوترينوات عبره في كل ثانية. تتحرك معظم هذه الجسيمات الغامضة من دون أن تصدر صوتًا أو أن تترك أثرًا.

ولكن في بعض الأحيان النادرة للغاية، مثل مرة كل عشرة ملايين تريليون مرة، سيصطدم النيوترينو بإحدى الذرات التي يتكون منا جزيء الماء. وقد يؤدي هذا التفاعل النادر إلى توليد وميض صغير من الضوء أو ترك بعض الشحنة الكهربائية الحرة.

هذا البريق الخاطف ضعيف للغاية بحيث لا يمكن رؤيته بالعين المجردة. ولكن يمكن للعلماء صنع أجهزة كشف حساسة للغاية لالتقاط تلك الإشارات الضعيفة. وكأنها أشياء مستوحاة من فيلم "صائدو الأشباح" (Ghostbusters)، تعمل الأجهزة الإلكترونية داخل أجهزة الكشف على تضخيم الإشارات لجعل "الأشباح" غير المرئية مرئية!

لكن انتظار حدوث تفاعل النيوترينو الذي تكون نسبة حدوثه "واحد كل عشرة ملايين تريليون" قد يستغرق طويلًا للغاية. وللحصول على كمية كافية من النيوترينوات للتعرف على أي شيء عنها، يحتاج العلماء إلى "كوب اكبر من الماء، أي خزانات ضخمة مليئة بملايين الجالونات، ويتعين عليهم وضع خزانات أجهزة الكشف الضخمة عميقًا تحت الأرض. لماذا؟ لأن النيوترينوات ليست الجسيمات الوحيدة التي تنطلق إلى الأرض. كما تتدفق العديد من الجسيمات النشطة الأخرى المعروفة باسم الأشعة الكونية من الفضاء الخارجي. يمكن أن يتسبب كل جسيم من جسيمات الأشعة الكونية هذه في تفاعل مرئي في أجهزة الكشف. إذا كان خزان جهاز الكشف فوق سطح الأرض، فإن ملايين من تفاعلات الأشعة الكونية ستحجب بسهولة إشارات النيوترينو النادرة. ولكن مع وجود جهاز الكشف عميقًا تحت الأرض، يتم إيقاف الأشعة الكونية من خلال التفاعل مع ذرات الأرض بينما تمر النيوترينوات مباشرة لتترك آثارها في جهاز الكشف.

أجهزة كشف النيوترينوات وأنواع النيوترينوات المختلفة

تتمتع النيوترينوات بنطاقات كبيرة من الطاقة. يمكن أن يؤدي هذا الاختلاف في الطاقة إلى حدوث وميض صغير من الضوء أو وميض شديد السطوع في أجهزة الكشف المملوءة بالماء. وتأتي النيوترينوات أيضًا في ثلاثة أنواع مختلفة، تسمى السمات. وقد تعلم العلماء طريقة صنع أجهزة كشف مناسبة لكل نوع من أنواع النيوترينوات ومجموعة كبيرة من طاقاتها.

باستطاعة تجربة المكعب الجليدي (IceCube experiment) العملاقة والموجودة في القطب الجنوبي الكشف عن تلك الجسيمات عندما يحصل تصادم بين النيوترينوهات والذرات الموجودة في الجليد؛ ويتم الأمر باستخدام شبكة من الكواشف. كشفت نتائج أبحاث جديدة أجراها معهد نيلز بور (Niels Bohr Institute) ومعاهد أخرى عن قياسات للنيوترينوهات، وحسبوا أيضاً بعض الخواص الفيزيائية التي لم تكن مفهومة سابقاً. نُشرت نتائج الأبحاث في المجلة العلمية (Physical Review D). النيوترينوهات هي واحدة من بين أكثر الجسيمات وفرةً في الكون، فأعدادها تفوق أعداد الذرات الموجودة في كامل الكون، ولا نعرف إلا القليل عن هذه الجسيمات في الوقت الحالي. النيوترينوهات نوعٌ من الجسيمات التي نشأت أثناء الانفجار العظيم (Big Bang)، وتُنتج أيضاً في الأجزاء الداخلية من الشمس وفي أحداثٍ عنيفة مثل السوبرنوفات (supernovae) -النجوم المنفجرة. تُعرف هذه النيوترينوهات بـ "الجسيمات الشبحية" لأنها لا تتفاعل مع المادة، وإنما تستطيع إختراق كل شيء يعترض مسارها دون أن تتأثر.

ينتج تفاعل كل نوع مختلف من النيوترينوات نوعًا مختلفًا من الجسيمات سالبة الشحنة. ينتج نيوترينو الإلكترون إلكترونًا (الأمر بسيط، أليس كذلك؟). يتم تسمية النوعين الآخرين من النيوترينوات على أسماء جسيمات دون ذرية مختلفة وثقيلة: ينتج نيوترينو الميون جسيمات ميون، وينتج نيوترينو تاو جسيمات تاو.

كما توجد نسخ من المواد المضادة*3  لسمات النيوترينوات*4 الثلاثة. وما هذه إلا نفس نيوترينوات المادة التقليدية، باستثناء أنها تنتج جسيمات موجبة الشحنة في جهاز الكشف.

يمكن للعلماء تمييز هذه الجسيمات بشكلٍ منفصل لأن كل نوع يترك نمطًا مختلفًا في جهاز الكشف. على سبيل المثال، تترك الميونات مسارات مستقيمة، وتبدو الإلكترونات مثل المرشات، وتتحلل جسيمات التاو بسرعة لإنتاج مسارات مستقيمة متعددة. باستخدام الأنماط المختلفة، يستطيع العلماء فك شفرة سمات النيوترينوات والرسالة المخفية التي يحملها كل جسيم شبحي.

أجهزة القطب الجنوبي

يشترك باحثون من 44 معهد و12 دولة في مشروع (IceCube) الدولي الموجود في القطب الجنوبي؛ ويهدف ذلك المشروع إلى دراسة الجسيمات الغامضة التي تمتلك خواصاً غريبة.

(IceCube) عبارة عن كاشف جسيمات ضخم ويقع في أعماق الجليد القطبي، وتتألف الأجهزة الموجودة في الكاشف من حوالي 86 كابل، ويحوي كلاً منها 60 وحدة بصرية -حساسات ضوئية فائقة الحساسية. يتم إنزال كل كابل داخل ثقب محفور في الجليد ويصل عمقه إلى 2.5 كيلومتر -حُفرت تلك الثقوب باستخدام الماء الساخن. يقع الكاشف عميقاً أسفل السطح، ويبدأ عن عمق يصل إلى 1.5 كيلومتر لينتهي عند 2.5 كيلومتر.

كاشف الجسيمات ضخم البنية وهو ضروري جداً لأن النيوترينوهات تتفاعل بشكلٍ ضعيف جداً مع المادة، ولذلك نادراً ما تتصادم مع الذرات الموجودة في الجليد. وعندما يتصادم أحدها، تنشأ جسيمات مشحونة تصدر بدورها إشعاعات يُمكن كشفها باستخدام الوحدات البصرية الرقمية عالية الحساسية.

يقول جيسون كوسكينين (Jason Koskinen)، الأستاذ المساعد ورئيس مجموعة (IceCube) في معهد نلز بور بجامعة كوبنهاغن: "سجلنا وجود حوالي 35 نيوترينو باستخدام مشروع المكعب الجليدي، ومن المرجح جداً أن هذه الجسيمات جاءت من أماكن بعيدة جداً في الكون. وهى جسيمات ذات طاقة عالية جداً لأنها لم تتفاعل مع شيء أثناء رحلتها الطويلة، وباستطاعتها حمل معلومات متعلقة بالأجزاء البعيدة جداً من الكون. بالإضافة إلى أشعة النيوترينو الكونية النادرة، ندرس أيضاً النيوترينوهات الناشئة في الغلاف الجوي للأرض للكشف عن خواصها الفيزيائية".

من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي

جسيم (البروتون) طاقته عالية جداً، وقادم من أحداث كونية عنيفة مثل السوبرنوفات والكوازارات (quasars)، عندما يصطدم بالغلاف الجوي للأرض، يتشكل انفجار مكون من جسيمات النيوترينو التي تعبر داخل الأرض. وتمر تلك الجسيمات المتشكلة عبر القطب الشمالي داخل الأرض، ويصطدم قسم صغير جداً منها بالجليد الموجود في القطب الجنوبي، حيث يقوم كاشف (IceCube) بتسجيل التصادمات.

النيوترينوهات جسيمات خفيفة جداً؛ وعلى مدار أزمنة طويلة، ساد إعتقاد بإنها عديمة الكتلة. أما الآن، يعتقد العلماء بوجود ثلاثة أنواع منها وهي: "نيوترينوهات الالكترونات، ونيوترينوهات الميونات، ونيوترينوهات التاو (electron, muon and tau neutrinos)، ولدى كلاً منها كتلة محددة، وصغيره بشكلٍ لا يُصدق -أقل من جزء من المليون من كتلة الالكترون".

يقول كوسكينين: "معظم النيوترينوهات الناشئة في الغلاف الجوي فوق القطب الشمالي هي نيوترينوهات الميون. وعلى طول طريقها داخل الأرض والذي يبلغ طوله 13 ألف كيلومتر، تعاني تلك الجسيمات من اهتزازات كمومية (quantum fluctuations) تستطيع تغييرها من نوعٍ إلى آخر -في هذه الحالة إلى نيوترينوهات التاو- قبل أن تصل في النهاية إلى الكاشف الموجود في الطريق الآخر من العالم. نستطيع الآن دراسة هذه التأثيرات بتفصيلٍ أكبر من السابق، وبهذه الطريقة يُمكننا الحصول على رؤى جديدة لمميزاتها الفيزيائية".

النيوترينوهات الجوية

درست مجموعة البحث نيوترينوهات الغلاف الجوي في كاشف (IceCube) على مدار ثلاث سنوات، وحللّت أكثر من 5200 تفاعل بين نيوترينوهات الغلاف الجوي والذرات الموجودة في الجليد.

يشرح كوسكينين: "أكدنا حقيقة أن النيوترينوهات تُعاني من إهتزازات -حتى عند مستويات الطاقة العالية- وحسبنا عدد تلك الاهتزازات. وفي هذه الدراسة، قمنا فقط بقياس نيوترينوهات الميون. ومن بين كل النيوترينوهات المتشكلة في الغلاف الجوي والتي عبرت الأرض، يُمكننا إكتشاف جزء منها فقط في القطب الجنوبي. ينتج ذلك الأمر عن أن نيوترينوهات الميون تُعاني من إهتزازات كمومية تُغير من نوعها إلى نيوترينوهات التاو، وليس بإستطاعتنا رؤية الأخيرة. أما إذا لم تتغير، سنراها كلها. بيّنت حساباتنا أن 20% من النيوترينوهات يُعاني من إهتزازات كمومية، وتتحول من نوعٍ إلى آخر أثناء عبورها للأرض".

الأجهزة الإلكترونية الحساسة تلتقط صورًا ثلاثية الأبعاد

يقوم فريق من العلماء حاليًا بصنع جهاز كشف نيوترينوات جديد ضخم عميقًا تحت الأرض في داكوتا الجنوبية بالولايات المتحدة. تُعرف هذه التجربة باسم تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض (DUNE). سيتم ملء جهاز الكشف الخاص بهذه التجربة بالأرجون السائل*5

يمثل غاز الأرجون ١% فقط من غلافنا الجوي، لكن بإمكان العلماء جمعه للحصول على أرجون سائل عالي النقاء. يجعل هذا الغاز شديد البرودة (- 186 درجة مئوية) اكتشاف مسارات الجسيمات المشحونة التي تنتجها تفاعلات النيوترينوات سهلًا، وذلك لأنه عند تحرك الجسيمات المشحونة السريعة عبر الأرجون السائل، تقوم في طريقها بتحويل ذرات الأرجون إلى أيونات.

تسمح عملية التأين*6 للآثار التي تتركها النيوترينوات بأن تظهر في صورة ”صواعق برقية”، لكن يمثل بناء جهاز لكشف سائل الأرجون البارد تحديًا كبيرًا للتأكد من أن هذا التصميم الجديد سيعمل بشكل سليم، بنى الفريق الدولي مؤخرًا نسخة أصغر واختبرها، تُعرف باسم ”ProtoDUNE” أو النموذج الأولي لتجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض (انظر الشكل 2). نجح العلماء في تصوير أنواع مختلفة من الجسيمات من خلال هذا الكاشف في المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (مختبر "سيرن" CERN)، حيث التقطت الأجهزة الإلكترونية المُصممة بعناية الإشارات وسجلتها ثم حولت أجهزة الكمبيوتر تلك القياسات إلى صور ثلاثية الأبعاد جميلة لمسارات الجسيمات (انظر Video 1) مثل كاميرا رقمية بدقة خمسة ميجا بكسل تلتقط صورًا ثلاثية الأبعاد!

• شكل 2 - يقف عالِم داخل جهاز كشف "ProtoDUNE" (النموذج الأولي لتجربة النيوترينوات العميقة تحت الأرض) في مختبر CERN بأوروبا قبل أن يمتلئ بالأرجون السائل النقي البارد (بدرجة حرارة -186 درجة مئوية!).
• يفحص العالم السطح الداخلي الموجود في صندوق معزول مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ النظيف للغاية. عندما تتم تعبئة جهاز الكشف وتشغيله، يتم تنشيط هذه الأسطح بتيار ذي جهد عالٍ ليتسبب في انجراف الجسيمات المشحونة الناتجة عن تأين الأرجون السائل ويتم التقاطها بواسطة أجهزة إلكترونية حساسة حتى يتمكن العلماء من تسجيلها. مصدر الصورة: Fermi National Accelerator Laboratory.

اقرأ ايضاً :قادم وبقوة من أجل فك أكثر ألغاز الكون غموضاً ، تليسكوب إقليدس بداية ناجحة وإنتظار مشوق

يوضح هذا الفيديو مسارات العديد من الجسيمات المشعة تمر عبر جهاز ”protoDUNE”. تم استخدام تلك البيانات لاختبار أداء الجهاز. تطابق الألوان كثافة التأين في الأرجون السائل (الأحمر أقل كثافة والأزرق أكثر كثافة). تتم عملية التأين عن طريق تطبيق مجال كهربائي قوي على الكاشف. صُممت هذه الصورة ثلاثية الأبعاد عن طريق تحليل الإشارات الكهربية ودمجها من آلاف الكابلات على الجدران التي تعمل مثل وحدات البكسل في الكاميرا الرقمية. مصدر الصورة: Chao Zhang، مختبر بروكهافن الوطني يمكنك عرض هذه البيانات ثلاثية الأبعاد من خلال هذا الرابط.) 

جسيمات تحمل رسائل من الشمس، والغلاف الجوي، والمفاعلات، والمسرّعات
في السنوات الخمسين الأخيرة، تطور العلماء في اكتشاف النيوترينوات، فلقد نجحوا في قياسها أثناء قدومها من الشمس، ومن اصطدامات الأشعة الكونية مع الذرات في الغلاف الجوي للأرض، ومن المفاعلات النووية التي تنتج الكهرباء (انظر الشكل 3).

شكل 3 - المصادر الأربعة للنيوترينوات التي استُخدمت في التجربة.
(A) الشمس تنتج نيوترينوات الإلكترون (νe). (B) نوعان من النيوترينوات، نيوترينوات الميون (νμ)، ونيوترينوات الإلكترون (ne)، يتم إنتاجهما عن طريق تصادم أشعة كونية عالية الطاقة مع ذرات الغلاف الجوي للأرض. (C) ينبعث من المفاعلات النووية مضادات لنيوترينوات الإلكترون (anti ne). (D) تُنتج مسرعات البروتون عالي الطاقة شعاعًا من نيوترينوات ميون (νμ) موجهة من خلال الأرض. وتُثبت أجهزة الكشف على بعد مسافات مختلفة من المصدر. مصدر الصورة: Tiany Bowman، مختبر بروكهافن الوطني.

كما تعلموا أيضًا إنتاج نيوترينوات نشطة للغاية في مسرّعات*7 عالية الطاقة. كل نوع من المصادر يُنتج نوعًا مختلفًا من النيوترينوات عند مستويات طاقة مختلفة. توصل العلماء إلى اكتشافين مذهلين حول النيوترينوات عن طريق إحصاء كل نوع منها على مسافات مختلفة من تلك المصادر. أولًا، اكتشفوا أن الأنواع الثلاثة للنيوترينوات تتحول إلى بعضها البعض أثناء انتقالها خلال الفضاء. بمعنى آخر، تتغير الرسائل التي تحملها النيوترينوات أثناء انتقالها. ثانيًا، اكتشفوا أن كتلة النيوترينوات ضئيلة للغاية! إذ يزن كل جسيم نيوترينو أقل من واحد على مليون من كتلة الإلكترون.

وجدت أول تجربة ناجحة لاكتشاف نيوترينوات شمسية أجراها Raymond Davis في عام 1960 في مختبر بروكهافن الوطني مفاجأة: بشكل أو بآخر، كان العديد من النيوترينوات التي كان يتوقع العلماء إيجادها مفقودة. لكن ذلك لم يكن بسبب عطل في الكاشف. صمم العلماء الكاشف الخاص بهم لاستقبال نوع واحد فقط من النيوترينوات، هو نيوترينوات الإلكترون التي تتولد في لُب الشمس. وكان بمقدور العلماء حساب العدد الدقيق الذي سيلتقطه الكاشف من نيوترينو الإلكترون. لكن لم يظهر إلا ثلث عدد نيوترينو الإلكترون الذي كان من المتوقع أن يظهر. ومن خلال تجارب المتابعة، توصل العلماء في النهاية إلى سبب هذا اللغز. تحول بعض من نيوترينو الإلكترون إلى النوعين الآخرين (ميون أو تاو) أثناء رحلته من الشمس، ولأن الكاشف لم يستطع التقاط هذين النوعين، تصور العلماء أنهما غير موجودين.

كان اكتشاف Davis لـ "مشكلة نيوترينوات الشمس" في بادئ الأمر مثيرًا للجدل. وكان لابد من اختباره من خلال تجارب أخرى. تجارب تُستخدم فيها نيوترينوات الغلاف الجوي، ونيوترينوات المفاعل، ونيوترينوات المسرّع. وفي جميع تلك التجارب، وجد العلماء أن أنواع النيوترينوات التي اختفت تحولت إلى أنواع أخرى أثناء انتقالها على المسافة البعيدة.

ستكشف تجربة DUNE الجديدة في الولايات المتحدة وتجربة Hyper Kamiokande في اليابان تفاصيل أكثر عن سلوك تحول النيوترينوات ومضادات النيوترينوات. إذا وجد العلماء اختلافًا بين كيفية تحول النيوترينوات، قد يحل ذلك أحد أعظم ألغاز الكون: وهو لماذا صُنع الكون من المادة فقط وليس المادة المضادة.

يعتقد العلماء أن المادة والمادة المضادة وُجدتا بكميات متساوية في الانفجار العظيم*8 كان ينبغي أن تدمر تلك الكميات المتساوية من المادتين المتضادتين بعضهما البعض تاركين الضوء فقط. لذا، فوجود المادة فقط الآن يُعد دليلًا على وجود فائض قليل من المادة. من المحتمل أن يكون الاختلاف بين النيوترينوات والنيوترينوات المضادة قد تسبب في وجود هذا الفائض القليل بينما يتمدد الكون ويبرد. إذا كان هذا حقيقيًا، فعلينا أن نشكر النيوترينوات على وجود الكون المحيط بنا الآن، الحافل بجميع الأشياء التي يمكننا رؤيتها حولنا بما فيها الصخور، والنباتات، والحيوانات، والبشر!

يقول كوسكينين: "لأننا نُريد تعلم كل شيء حول هذه الجسيمات الغريبة والموجودة في كافة أرجاء الكون، وأيضاً عن خواصها التي لا نفهمها بشكلٍ كامل، ولأنها جاءت من الكون، نستطيع إستخدامها في مجال المراقبات الفلكية والحصول على رؤى جديدة تتعلق ببنية الكون".

------------------------------------------------------

الهوامش:

اقرأ ايضاً :على أعتاب ثورة تكنولوجية جديدة قادمة في عالم الأتصالات ، شبكات الجيل السادس ستجعل الخيال العلمي واقعا ملموسا

*1-  التفاعلات النووية (Nuclear reactions): ↑ تحدث التفاعلات النووية عندما تتفاعل الأنوية الذرية مع بعضها البعض مشكّلة أنوية أخرى. تتحد أنوية الهيدروجين (البروتونات)، في الشمس، لتكوين أنوية الهيليوم وإطلاق الطاقة - الحرارة وأشعة الشمس.

*2-  الانحلال الإشعاعي (Radioactive decay): ↑ تكون أنوية العديد من الذرات غير مستقرة، ومع مرور الوقت تتفكك وتطلق جسيمات نشطة، مثل أشعة ألفا وبيتا وجاما. تُسمى عملية التفكك هذه بالانحلال الإشعاعي.

*3-  سمات النيوترينوات (Neutrino flavors): ↑ تأتي النيوترينوات بثلاث سمات أو أنواع، سميت باسم أنواع مختلفة من الجسيمات المشحونة التي تنتجها عندما تتفاعل مع المادة العادية. الجسيمات الثلاثة الأساسية سالبة الشحنة هي الإلكترون والميون وجسيم تاو. وهي متطابقة في كل الأحوال باستثناء أن الميون أثقل 200 مرة من الإلكترون، والتاو أثقل 3500 مرة منه.

*4-  المادة المضادة (Antimatter): ↑ يكون لكل نوع من الجسيمات المشحونة من المادة نظير مشحون معاكس له. هذه الجسيمات المتطابقة لكن المتضادة من حيث الشحنة هي مواد مضادة (أو جسيمات مضادة). على سبيل المثال، نظير المادة المضادة للميون (سالب الشحنة) هو مضاد الميون (موجب الشحنة). النيوترينوات ليس لها شحنة، ولكن لها جسيمات مضادة أيضًا، وفهم طبيعة مضادات النيوترينوات هذه هو أحد أهم الألغاز في الفيزياء.

*5- الأرجون السائل (Liquid argon): ↑ الأرجون هو غاز خامل يشكل نسبة واحد بالمائة من الغلاف الجوي للأرض. يصبح الأرجون سائلاً عند درجة حرارة -186 درجة مئوية وله مظهر شفاف كالماء. هو مفيد للكشف عن النيوترينوات لأن التأين يدوم لفترة كافية للكشف عنه.

*6-  التأين (Ionization): ↑ يحدث التأين عندما تصطدم الجسيمات النشطة بالإلكترونات في الذرات. وتكون النواتج أيونات موجبة الشحنة وإلكترونات حرة.

*7-  المسرّعات (Accelerators): ↑ المسرعات هي ماكينات تتم فيها زيادة سرعة الجسيمات المشحونة، مثل الإلكترونات والبروتونات، حتى تصل إلى سرعة الضوء تقريبًا. بإمكان العلماء إجراء تصادم بين أشعة مكثفة للغاية ناتجة عن تلك الجسيمات وبعض الأهداف لإنتاج جسيمات أخرى دون ذرية تشمل نيوترينوات نشطة.

*8-   الانفجار العظيم (The Big Bang): ↑ يُلخص الانفجار العظيم الحدث الذي بدأت فيه نشأة الكون من نقطة واحدة مليئة بحالة كثيفة وحارة للمادة قبل 14 مليار سنة. تكونت جميع الجسيمات والمواد التي نراها اليوم بما فيها المجرات، والنجوم، والكواكب، وغير ذلك الكثير على شكل تلك النقطة ثم تمددت وبردت.

المصادر:

1. ^ علماء يكتشفون جسيمات تتحرك أسرع من الضوء - سي أن أن العربية، السبت، 24 أيلول/سبتمبر 2011، آخر تحديث 09:37 (GMT+0400)
2. ^ تجاوز الـ «نيوترينو» سرعة الضوء يحير العلماء - الاتحاد، تاريخ النشر: السبت 24 سبتمبر 2011
3. ^ K. Riesselmann (2007). "Logbook: Neutrino Invention". Symmetry Magazine. 4 (2).
4. ^ قالب:Cite arxiv
5. ^ علماء يكتشفون جسيمات تتحرك أسرع من الضوء - سي أن أن العربية، السبت، 24 أيلول/سبتمبر 2011، آخر تحديث 09:37 (GMT+0400)
6. ^ تجاوز الـ «نيوترينو» سرعة الضوء يحير العلماء - الاتحاد، تاريخ النشر: السبت 24 سبتمبر 2011
7. ^ K.-C. Wang (1942). "A Suggestion on the Detection of the Neutrino". Physical Review. 61 (1–2): 97. doi:10.1103/PhysRev.61.97.
8. ^ C.L Cowan Jr., F. Reines, F.B. Harrison, H.W. Kruse, A.D McGuire (July 20, 1956). "Detection of the Free Neutrino: a Confirmation". Science. 124 (3212): 103. doi:10.1126/science.124.3212.103. PMID 17796274.
9. ^ Winter, Klaus (2000). Neutrino physics. Cambridge University Press. p. 38ff. ISBN 9780521650038. This source reproduces the 1956 paper.
10. ^ "The Nobel Prize". Nobelprize.org. Retrieved 29 June 2010.
11. ^ LLNL/SNL Applied Antineutrino Physics Project. LLNL-WEB-204112 (2006): http://neutrinos.llnl.gov/
12. ^ Applied Antineutrino Physics 2007 workshop: http://www.apc.univ-paris7.fr/AAP2007/
13. ^ DOE/Lawrence Livermore National Laboratory (2008, March 13). New Tool To Monitor Nuclear Reactors Developed. ScienceDaily. Retrieved March 16, 2008, from http://www.sciencedaily.com/releases/2008/03/080313091522.htm
14. ^ LLNL/SNL Applied Antineutrino Physics Project. LLNL-WEB-204112 (2006): http://neutrinos.llnl.gov/
15. ^ Applied Antineutrino Physics 2007 workshop: http://www.apc.univ-paris7.fr/AAP2007/
16. ^ DOE/Lawrence Livermore National Laboratory (2008, March 13). New Tool To Monitor Nuclear Reactors Developed. ScienceDaily. Retrieved March 16, 2008, from http://www.sciencedaily.com/releases/2008/03/080313091522.htm