تمكن الباحثون من التقاط "الجسيم الأولي الأخير"

ترك نيوترينو التاو أثرًا في المختبر؛ وعلى الرغم من العثور على نوعين من جسيمات النيوترينو منذ سنوات، إلا أن العلماء لم يتمكنوا من اكتشاف نيوترينو التاو حتى الآن.

بواسطة تمارا تروبمان

وفي نهاية الأسبوع، أعلن علماء الفيزياء أنهم نجحوا في اكتشاف جسيم تاو نيوترينو، وهو الجسيم الوحيد الذي لم يتم اكتشافه بعد من بين الجسيمات الأولية التي تشكل المادة في الكون. يتم إنشاء جسيمات النيوترينو في الأماكن التي يوجد بها الكثير من الطاقة مثل الشمس، وتطفو بحرية. ونيوترينو تاو هو الجسيم الأكثر غموضا بين أنواع النيوترونات الثلاثة، وهو يمر عبر أي مادة -مثل الأشباح- دون أن يترك أثرا ولا يمكن رؤيته أو الشعور به. وفي الواقع، فإن نيوترينو التاو بعيد المنال لدرجة أن بعض الفيزيائيين شككوا فيما إذا كانوا سيتمكنون من مراقبته بشكل مباشر.

ورصد فريق البحث -المكون من 54 عالما فيزياء من الولايات المتحدة واليابان وكوريا الجنوبية واليونان- نيوترينو تاو بمساعدة أقوى مسرع الجسيمات في العالم "تيفاترون"، الموجود في مختبر فيرمي الوطني في شيكاغو. وباستخدام أجهزة المسح التي تقوم بمسح أطنان من المواد لاكتشاف الآثار الدقيقة للجسيم النادر.

يقول البروفيسور شموئيل إليتسور، من المعهد البعيد للفيزياء في الجامعة العبرية، ردا على الاكتشاف: "إن أي تجربة تتعلق بالنيوترينوات ليست مغامرة سهلة". ووفقا له، فإن "الاكتشاف ذاته يعد عملية مثيرة للإعجاب".

جسيمات النيوترينو ليس لها كتلة تقريبًا ولا تحتوي على شحنة كهربائية. يمكنه المرور عبر أي شيء دون انقطاع. ويقول الفيزيائي البروفيسور حاييم هراري، رئيس معهد وايزمان للعلوم، إنه "لا شيء يمكن أن يوقفه، كل شيء يبدو وكأنه شفاف بالنسبة له". وفي الوقت الحالي، تمر مليارات من جزيئات النيوترينو عبر أجسامنا دون أن نلاحظ".

الشيء الآخر الذي جعل الاكتشاف صعبًا هو أنه على الرغم من أن شقيقي تاو نيوترينو - نيوترينو الإلكترون ونيوترينو الميون - شائعان جدًا، إلا أنه نادرًا ما يتم إنشاؤه، لأن إنشائه يتطلب طاقة كبيرة للغاية. ونظرًا لندرته، فإن احتمالية إتلاف المادة وترك آثار عليها تكاد تكون معدومة. ومع ذلك، واستنادًا إلى الحسابات الرياضية ونتائج التجارب السابقة، كان الفيزيائيون مقتنعين بضرورة وجود نيوترينو تاو. ومع ذلك، تمكن الجسيم من مراوغتهم لمدة 25 عامًا.

وفي التجربة التي أجراها الباحثون، أطلقوا شعاعًا مكونًا من حوالي 100 تريليون جزيء نيوترينو، بما في ذلك عدد قليل من جزيئات تاو نيوترينو. اصطدمت الحزمة بساندويتش من صفائح الحديد وألواح ملطخة بالمستحلب، وهي المادة الموجودة أيضًا في الأفلام الفوتوغرافية. عندما يصطدم نيوترينو تاو بذرة حديد، فإن الاصطدام بينهما ينتج جسيم تاو. عندما يضرب التاو لوحة المستحلب فإنه يترك علامة عليه. قام العلماء بتطوير الألواح في المختبر، وقام الماسح الضوئي وبرنامج الكمبيوتر بتحديد موقع هذه الأقسام. استغرق الفريق ثلاث سنوات لتحليل نتائج التجربة. اكتشفوا أربعة نيوترينوات تاو، والتي خلقت آثارًا صغيرة ولكن واضحة في المستحلب. يقول البروفيسور هراري: "يوفر هذا الاكتشاف الحجر الأخير في قائمة اللبنات الأساسية للمادة".

يتم تضمين جميع الجسيمات الأولية التي تشكل اللبنات الأساسية للمادة فيما يعرف باسم "النموذج القياسي" - وهو نموذج نظري يصف خصائصها. ووفقا للنموذج، هناك نوعان من اللبنات الأساسية: الكواركات، التي تشكل جميع النوى الذرية لكل مادة في الكون - من البشر إلى الذهب - واللبتونات، والتي تشمل الإلكترون وجسيمات الميون والتاو ( يشبهها في كل شيء ما عدا كتلتها) وجسيمات النيوترينو.

ووفقا للنموذج القياسي، يبدو أن النيوترينوات ليس لها كتلة. لكن منذ حوالي عام، كشفت تجربة أجريت في اليابان عن دليل على احتمال وجود كتلة صغيرة، لم يتمكن العلماء من تحديد ماهيتها. يقول البروفيسور هراري: "الشيء الذي ينتظره الجميع بفارغ الصبر هو الحصول على معلومات حول كتلة تاو نيوترينو".

إن معرفة كتلة نيوترينو التاو قد تحل بعض الألغاز، مثل مقدار مساهمة جزيئات النيوترينو في الكتلة الإجمالية للكون. وفقا لإحدى الفرضيات، فإن النيوترينو هو جزء من "المادة المظلمة" - وهي مادة غير مرئية، والتي، استنادا إلى الملاحظات غير المباشرة، يعتقد أنها تشكل أكثر من 80٪ من المادة في الكون.

يقول البروفيسور هراري إنه على الرغم من أن نيوترينو التاو يبدو منافسًا جيدًا، إلا أنه لا يبدو أن معظم المادة المظلمة مكونة منه. وفي تجربة بدأت قبل خمس سنوات في مسرع الجسيمات CERN في جنيف، حاولوا تقدير كتلة الجسيم. وقال هراري، الذي شارك في التخطيط لها، إن التجربة أجريت بحيث لا يمكن اكتشاف سوى كتلة أكبر من إلكترون فولت واحد (وحدة قياس الكتلة). ووفقا له، بما أنه لم يتم الحصول على أي نتائج حتى الآن تبين أن لها كتلة، فمن المرجح أنه إذا كان جزءا من المادة المظلمة، فهو مجرد جزء صغير منها.

تحاول عدة تجارب أخرى في العالم تقدير كتلة النيوترينو بأجهزة قياس أكثر حساسية. وقال البروفيسور هراري: "لن أتفاجأ إذا سمعنا في المستقبل القريب عن نتائج القياسات الجديدة للكتلة".

تم اقتراح وجودها في الثلاثينيات

كان الفيزيائي فولفجانج باولي أول من اقترح وجود جسيمات النيوترينو في ثلاثينيات القرن العشرين. وذلك بعد أن لاحظ من سبقه من الفيزيائيين عملية الاضمحلال الإشعاعي، حيث يخرج إلكترون من الذرة، وتتحول الذرة إلى ذرة أخرى. لكن تجارب أخرى أظهرت أن الإلكترون المنبعث من نواة الذرة له طاقة مختلفة في كل مرة، وتكون دائما أصغر من المتوقع حسب الحساب النظري. هذه القياسات تتعارض مع قانون الحفاظ على الطاقة.

جاء باولي بفكرة أنه في الاضمحلال ينبعث جسيم آخر، بعيد المنال وغير مرئي، عديم الكتلة، ولا تؤثر عليه أي قوة تقريبًا، وبالتالي يمر بسهولة عبر أي مادة. هذا الجسيم - المسمى بالنيوترينو - ببساطة "يسرق" بعضًا من الطاقة. ومضى ما يقرب من ثلاثين عامًا منذ ذلك الحين حتى اكتشف عالم فيزياء يدعى فريد رينز أول جسيم نيوترينو، في تجربة أكسبته جائزة نوبل عام 95.
{ظهر في صحيفة هآرتس بتاريخ 23/7/2000}
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~326931368~~~95&SiteName=hayadan