منارات الأشباح في الفيزياء الجديدة / مارتن هيرش، هاينريش فاس، وارنر فورود

النيوترينوات، أغرب المخلوقات في حديقة الحيوان الجزيئية، قد تقتحم قريبًا عوالم فيزيائية مجهولة.

لقد حظي عدد قليل من الفيزيائيين بامتياز جلب جسيم أساسي جديد إلى العالم. ومع ذلك، عندما خطرت الفكرة في ذهن فولفغانغ باولي في عام 1930، كان يعاني من المخاوف التي خففت من رد فعله. وقال باولي لزملائه في وقت لاحق: "لقد فعلت شيئًا فظيعًا". "لقد افترضت وجود جسيم لا يمكن اكتشافه."

إن النيوترينو بعيد المنال بالفعل: فخصائصه تسمح له بالاختراق مثل الشبح عبر جميع الحواجز المادية تقريبًا، بما في ذلك المواد التي يستخدمها الفيزيائيون في أجهزة كشف الجسيمات الخاصة بهم. في الواقع، فإن معظم جزيئات النيوترينو التي تأتي من الفضاء إلى الأرض تمر عبرها بسلاسة دون أن تحتك ولو بشكل طفيف بأي جسيم آخر. ولكن اتضح أن مخاوف باولي كانت مبالغ فيها إلى حد ما: من الممكن اكتشاف جزيئات النيوترينو، على الرغم من أنه من الضروري استثمار جهود كبيرة وعبقرية في التخطيط للتجارب.

تعتبر جسيمات النيوترينو أغرب الجسيمات الأولية في جوانب أخرى أيضًا. إنها ليست مكونات مختومة ولا علاقة لها بالكيمياء. فهي محايدة كهربائيا. إنها خفيفة بشكل لا يصدق، فهي أقل من جزء من المليون من كتلة أخف عنصر في المادة بجانبها، وهو الإلكترون. وبالمثل، فإن جسيمات النيوترينو، أكثر من الجسيمات الأخرى، تأخذ شكلًا وتتشكل: كل نوع من أنواع النيوترينو الثلاثة، التي تسمى "النكهات"، يمكن أن يصبح نوعًا مختلفًا.

لأكثر من 80 عامًا، لم تتوقف هذه الجسيمات الصغيرة عن إدهاش الفيزيائيين. وحتى اليوم، لا تزال هناك أسئلة أساسية حول جسيمات النيوترينو لم تتم الإجابة عليها بعد: هل هناك ثلاث نكهات فقط لجسيمات النيوترينو، أم أن هناك المزيد؟ لماذا جميع النيوترينوات خفيفة جدًا؟ هل تحتوي جسيمات النيوترينو على نظيرات من المادة المضادة؟ لماذا تغير جزيئات النيوترينو شكلها بمثل هذا المعدل السريع والمذهل؟

في مسرعات الجسيمات والمفاعلات النووية وأعمدة المناجم المهجورة حول العالم، بدأت تجارب جديدة في العمل يمكنها الإجابة على هذه الأسئلة. ويجب أن توفر الإجابات التي تأتي منهم أدلة حيوية للآليات الداخلية للطبيعة.

إن خصوصيات النيوترينو تجعله المنارة التي ترشد علماء فيزياء الجسيمات في رحلتهم الشاقة نحو تلك النظرية الموحدة الكبرى، التي تصف جميع الجسيمات وكل القوى، باستثناء الجاذبية، ضمن إطار رياضي متماسك. النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وهو أفضل نظرية للجسيمات والقوى حتى الآن، غير قادر على استيعاب كل تعقيدات النيوترينو. يجب توسيعها.

خفيف ولذيذ

الطريقة الأكثر شيوعًا لتطوير جزء النيوترينو في النموذج القياسي هي إدخال كيانات جديدة تسمى جسيمات النيوترينو اليمنى. إن الخاصية المعروفة باسم استخدام اليد اليمنى أو اليسرى هي تعادل معين للشحنة الكهربائية. فهو يحدد ما إذا كان الجسيم سيتفاعل مع القوة الضعيفة المسؤولة عن التحلل الإشعاعي: يجب أن يكون الجسيم أعسر ليشعر بالقوة الضعيفة. وبالتالي فإن تلك الجسيمات اليمنى المفترضة ستكون أكثر مراوغة من نظيراتها اليسرى، وهي جسيمات النيوترينو في النموذج القياسي، والتي تم إثبات وجودها تجريبيًا. وتصنف جميع جسيمات النيوترينو على أنها "لبتونات"، وهي العائلة الممتدة من الجسيمات التي تشمل، من بين أمور أخرى، الإلكترونات، وهذا يعني أنها لا تشعر بالقوة الشديدة التي تربط البروتونات والنيوترونات معًا داخل النواة الذرية. وأيضًا، في حالة عدم وجود شحنة كهربائية، فإن جزيئات النيوترينو لا تشعر مباشرة بالقوى الكهرومغناطيسية أيضًا. وهكذا تبقى الجاذبية والقوة الضعيفة فقط بالنسبة للنكهات الثلاثة المعروفة للنيوترينو، لكن النيوترينو الأيمن سيكون غير قابل للاختراق حتى بالنسبة للقوة الضعيفة.

إذا كانت النيوترينوات اليمنى موجودة، فإنها ستقدم تفسيرًا معقولًا للغاية لغز نيوترينو آخر: لماذا تمتلك الأنواع الثلاثة ذات اليد اليسرى، نيوترينوات الإلكترون، والنيوترينوات الميونية، والنيوترينوات السمراء، مثل هذه الكتل الصغيرة.

تحصل معظم الجسيمات الأولية على كتلتها من خلال التفاعل مع مجال هيغز السائد في كل الفضاء. (أصبح بوزون هيغز علامة تجارية في العام الماضي عندما أعلن الفيزيائيون في مصادم الهادرونات الكبير LHC، في مختبر CERN بالقرب من جنيف، أنهم حددوا جسيمًا جديدًا يناسب وصف بوزون هيغز الذي طال انتظاره. هذا البوزون هو الجسيم المرافق لمجال هيغز، كما أن الفوتون هو رفيق للمجال الكهرومغناطيسي.) في هذه العملية، يزيل مجال هيغز القوة الضعيفة المكافئة للشحنة الكهربائية من الجسيمات. وبما أن النيوترينوات اليمنى ليس لديها مثل هذه الشحنة، فإن كتلتها لا تعتمد على مجال هيغز. قد تنشأ من آلية مختلفة تمامًا عند الطاقات العالية بشكل لا يصدق للتوحيد الكبير (طاقة عالية جدًا حيث، وفقًا لبعض النظريات، يتم توحيد جميع القوى باستثناء الجاذبية في قوة واحدة). وفي هذه الحالة، سيكون النيوترينو الأيمن ثقيلًا بشكل مرعب.

يمكن للتأثيرات الكمومية أن تربط جسيمات النيوترينو اليمنى مع نظيراتها اليسرى بطريقة تجعل الكتلة الهائلة لأحدها "تلوث" الأخرى. ومع ذلك، فإن هذه العدوى ستكون ضعيفة للغاية، على سبيل المثال، إذا سقط النيوترينو الأيمن في الفراش مصابًا بالتهاب رئوي، فإن النيوترينو الأيسر سيصاب فقط بنزلة برد خفيفة، وهذا يعني أن كتلة النيوترينو الأيسر ستكون صغيرة جدًا. تُعرف هذه العلاقة بآلية التذبذب، لأن الكتلة الكبيرة ترفع كتلة أصغر، كما هو الحال في أرجوحة الأطفال.

يظهر تفسير بديل لكتل ​​جسيمات النيوترينو من التناظر الفائق، وهو مرشح رئيسي لفيزياء جديدة من شأنها كسر حدود النموذج القياسي. وفقا لفرضية التناظر الفائق، فإن كل جسيم في النموذج القياسي لديه شقيق غير مكتشف. هؤلاء "الأخوة الفائقون" (الشركاء الفائقون)، الذين يجب أن يكون لديهم كتلة كبيرة جدًا نظرًا لحقيقة أنهم تمكنوا حتى الآن من الهروب من الكشف، سيزيدون في الحال عدد الجسيمات الأولية بمقدار مرتين على الأقل. في حالة وجود جسيمات فائقة التناظر، فقد يكون المصادم LHC قادرًا على إنتاجها وقياس خصائصها.

إحدى السمات الأكثر جاذبية للتناظر الفائق هي أن أحد الجسيمات الفائقة المعروفة باسم النيوترالينوس هو مرشح جدي للغاية لدور المادة المظلمة، تلك الكتلة الموجودة في المجرات وعناقيد المجرات التي تمارس قوة جذب ولكنها لا تنبعث منها ضوء أو تكشف عن نفسها بطرق أخرى مرئية. لن يلبي النيوترالينو متطلبات المادة المظلمة إلا إذا تبين أنه مستقر لفترة طويلة بما فيه الكفاية، ولا يتحلل بسرعة إلى جسيم آخر.

وبالتالي فإن النيوترينو قصير العمر سيعيد الباحثين في المادة المظلمة إلى طاولات الرسم الخاصة بهم، ولكنه سيكون بمثابة نعمة كبيرة لعلماء فيزياء النيوترينو. يعتمد استقرار النيوترالينو على خاصية مفترضة تُعرف باسم تكافؤ R، والتي تمنع الأشقاء الكبار من الاضمحلال إلى إحدى جسيمات النموذج القياسي العادية. ولكن إذا لم يتم الحفاظ على التكافؤ R، فسيصبح النيوترينو غير مستقر، وسوف يعتمد اضمحلاله جزئيًا على كتلة النيوترينو.

أظهر اثنان منا (هيرش وبورود)، بالتعاون مع خوسيه فالي من جامعة فالنسيا في إسبانيا وخورخي سي. رومانو من الجامعة التقنية في لشبونة في البرتغال، أنه من الممكن دراسة العلاقة بين النيوترينوات والنيوترينوهات في الفضاء. LHC. إذا كان استقرار النيوترينو يعتمد على جزيئات النيوترينو، فسيكون من الممكن التنبؤ بعمر النيوترينو من خلال خصائص النيوترينو المعروفة. ويصادف أن هذا الجسيم الفائق يجب أن يكون موجودًا لفترة كافية للسماح للفيزيائيين بمراقبة حياته بأكملها، من التكوين إلى الاضمحلال، داخل كاشفات LHC.

الضوء والمادة المضادة

تشير جميع التفسيرات التي يمكن تصورها لكتل ​​النيوترينوات الضئيلة إلى مناطق غير معروفة في عالم الفيزياء. ومع ذلك، فإن أحد هذه التفسيرات، وهو آلية التذبذب، قد يساهم أيضًا في حل لغز مركزي في الفيزياء: كيف حدث أن المادة تمكنت من هزيمة المادة المضادة، وهو الانتصار الذي مكن من خلق البنية الكونية، وفي نهاية المطاف التطور. من الحياة.

كل جسيم في النموذج القياسي له نظير من المادة المضادة، مثل نسخة مرآة من نفسه، بشحنة معاكسة. على سبيل المثال، يمتلك الإلكترون شحنة كهربائية قدرها -1، والإلكترون المضاد، المعروف باسم البوزيترون، لديه شحنة كهربائية قدرها +1. عندما يصطدم الإلكترون والبوزيترون، تلغي شحناتهما بعضها البعض، وتتأين الجسيمات في موجة من الإشعاع. قد يكون لانعدام الشحنة التامة للنيوترينو الصحيح تأثير مهم: فقد يعني أنه في حالة جسيمات النيوترينو، فإن المادة والمادة المضادة هما نفس الشيء. في مصطلحات الفيزياء، يُطلق على الإلكترون والبوزيترون اسم جسيمات ديراك. لكن الجسيم الذي هو شريكه في المادة المضادة يسمى جسيم ماجورانا.

إذا كانت نظرية اليد واليد تعكس بشكل صحيح الآليات الداخلية لعالم الجسيمات، فإن جزيئات النيوترينو اليسرى تتأثر ليس فقط بالكتلة، ولكن أيضًا بـ "كتلة" جزيئات النيوترينو اليمنى. وبعبارة أخرى، إذا كانت بعض جسيمات النيوترينو هي جسيمات مضادة لنفسها، فإن جميع جسيمات النيوترينو كذلك.

إن الواقع الذي تكون فيه النيوترينوات وجسيماتها المضادة هو نفسه سيكون له مجموعة متنوعة من الآثار الرائعة. على سبيل المثال، يمكن للنيوترينوات أن تؤدي إلى انتقال بين الجسيمات والجسيمات المضادة. في معظم تفاعلات الجسيمات، يتم الحفاظ على الكمية المعروفة باسم "رقم الليبتون"، والتي تمثل عدد اللبتونات ناقص عدد اللبتونات المضادة، أي أنها لا تتغير. ومع ذلك، قد تكسر النيوترينوات هذه القاعدة، مما يخلق اختلالًا في التوازن بين المادة والمادة المضادة. بالنسبة لنا نحن البشر، يعد هذا الخلل في التوازن أمرًا جيدًا جدًا لأنه لو تم تقسيم المادة والمادة المضادة بالتساوي بعد الانفجار الكبير، لكانوا قد تأينوا بعضهم البعض تمامًا ولم يتركوا شيئًا وراءهم لبناء المجرات والكواكب وأشكال الحياة منها. إن تفسير هيمنة المادة على المادة المضادة قد استعصى على الفيزيائيين وعلماء الكون لسنوات عديدة.

سر اختفاء النيوترينو

لا يجب أن تظل العلاقة بين جسيمات النيوترينو وجسيماتها المضادة محصورة في عالم نظرية فيزيائية مغرية ولكنها لم يتم حلها بالكامل. سعت العديد من التجارب، الماضية والحالية، إلى تقديم إجابة لا لبس فيها لسؤال ما إذا كانت جسيمات النيوترينو هي بالفعل جسيمات مضادة لنفسها، وذلك من خلال البحث عن نوع من الحدث الإشعاعي المعروف باسم اضمحلال بيتا المزدوج النووي.

تمت ملاحظة النيوترينوات والنيوترينوات المضادة لأول مرة في اضمحلال بيتا النووي، حيث تنبعث الذرة من إلكترون مع نيوترينو مضاد. في بعض النظائر النووية، قد يحدث اضمحلال بيتا متزامنين، والذي ينبعث منه في الظروف العادية إلكترونين واثنين من النيوترينوات المضادة. لكن إذا كان النيوترينو عبارة عن جسيم ماجورنا، فيمكن امتصاص نفس النيوترينو المضاد المنبعث في الاضمحلال الأول في الاضمحلال الثاني. والنتيجة هي اضمحلال بيتا المزدوج الذي لا ينبعث منه أي نيوترينوات أو نيوترينوات مضادة [انظر الإطار في الصفحة السابقة]. في لحظة واحدة، حيث لم تكن هناك لبتونات من قبل، يتشكل لبتونان (الإلكترونات)، بدون اللبتونات المضادة المعتادة التي توازنهما (الجسيمات المضادة للنيوترينو). وبعبارة أخرى، فإن اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو ينتهك حفظ عدد الليبتون.

اليوم، يعد البحث عن اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينوات أفضل اختبار لدينا للنيوترينوات الفأرية بشكل خاص وعدد اللبتون بشكل عام. في الأساس، تجربة اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو بسيطة: قم بجمع النظائر النووية مثل الجرمانيوم 76، حيث قد يحدث اضمحلال بيتا المتزامن، وانتظر تكوين إلكترونين غير مصحوبين بجزيئات النيوترينو. لكن في الحقيقة هذه التجارب صعبة للغاية. يعد اضمحلال بيتا المزدوج من أي نوع نادرًا للغاية، لذلك يحتاج التجريبيون إلى جمع كميات كبيرة من الجرمانيوم أو أي مصدر آخر على أمل تسجيل التنوع الخالي من النيوترينو. وكما لو أن ذلك لم يكن كافيًا، فإن التدفق المستمر من الجسيمات دون الذرية التي تمطر الأرض من الأشعة الكونية يميل إلى إغراق الإشارة الصغيرة لتحلل بيتا المزدوج. ولذلك يجب على المجربين أن يدفنوا أجهزة الكشف الخاصة بهم في أعماق الأرض، أو في مناجم مهجورة أو مختبرات أخرى تحت الأرض، حيث تقوم الطبقات الصخرية التي تغطيها بتصفية جميع الأشعة الكونية تقريبًا.

لسوء الحظ، فإن التقرير الوحيد حتى الآن عن اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينوات، الصادر عن تجربة اضمحلال بيتا المزدوج في هايدلبرغ-موسكو في إيطاليا، قد تعرض لانتقادات شديدة من قبل فيزيائيين آخرين. الجيل القادم من أجهزة الكشف التي بدأت للتو في جمع البيانات أو التي لا تزال في طور الإعداد سوف تقوم بالبحث بشكل أكثر شمولاً. تجربة أجريت في نيو مكسيكو، تسمى EXO-200، وتجربة أخرى في اليابان تعرف باسم KamLAND-Zen، نشرتا مؤخرًا البيانات الأولى من أبحاثهما عن اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينوات، والتي لم تتفق مع الادعاء السابق ولكنها لم تدحض بشكل قاطع إنه إما ذو معنى

تستخدم تجربة جيردا في إيطاليا، والتي بدأت العمل في عام 2011، نفس النظير المستخدم في مصفوفة هايدلبرغ-موسكو، ولكن في نموذج جديد يهدف إلى مواجهة النتيجة المثيرة للجدل التي توصلت إليها سابقتها بشكل مباشر. وتستمر تجربتا EXO-200 وKamLAND-Zen في العمل، ومن المقرر أن تبدأ منشأة أخرى تسمى CUORE في جمع البيانات في إيطاليا في عام 2014. ويعطينا عدد التجارب المتقدمة الجارية حاليًا أملاً معقولاً في أن اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو قد يكون مؤهلاً للتأكيد. بحلول نهاية هذا العقد.

تبادل أنثى

إن العثور على نيوترينو غير مكتشف، أو إثبات أن النيوترينوات والنيوترينوات المضادة متماثلة، من شأنه أن يضيف طبقة جديدة تمامًا من الغموض إلى هذه الجسيمات الغامضة بالفعل. ولكن حتى بينما نبحث نحن الفيزيائيون عن خصائص جديدة لهذه الجسيمات، فإننا نواصل أيضًا صراعنا مع الآلية الكامنة وراء خاصية موثقة جيدًا ولكن يساء فهمها إلى حد كبير للنيوترينوات: ميلها القوي إلى التشوه والتشكل. من الشائع في الأدبيات أن نقول إن كمية انتهاك النكهة اللبتونية، أو اختلاط النيوترينو، كبيرة مقارنة بالخلط بين نكهات الكواركات، وهي الجسيمات الأولية التي تشكل البروتونات والنيوترونات.

تبحث العديد من المجموعات البحثية حول العالم في كيفية تفسير تناظرات الطبيعة، وهي الخصائص الرئيسية التي تتقاسمها قوى وجسيمات مختلفة ظاهريًا والتي لم تخطر على بال العلماء إلا مؤخرًا، مثل هذا السلوك. أحد الأمثلة المحتملة هو التماثلات المتأصلة في الطرق التي تتحول بها الجسيمات المعروفة من واحدة إلى أخرى. اكتشف جوتام بيتاتشاريا من معهد ساها للفيزياء النووية في كلكتا، وفيليب ليسير من جامعة دورتموند التقنية في ألمانيا وأحدنا (فاس) مؤخرًا أن مثل هذه التناظرات ستؤثر بشكل واضح على مجال هيجز. سوف يظهر تفاعل الكواركات والنيوترينوات المتغيرة النكهة مع حقل هيغز في نواتج الاضمحلال الغريبة لبوزونات هيغز، والتي يمكننا بالتأكيد ملاحظتها في LHC. يمكن لمثل هذه الإشارة أن تعلمنا عن الآلية الكامنة وراء التغيرات المفرطة في شكل جسيمات النيوترينو: وهو اكتشاف سيكون بلا شك أحد أكثر الاكتشافات إثارة في LHC.

وإلى أن يحدث ذلك، تحاول مجموعة أخرى من التجارب أن تحدد بشكل قاطع عدد المرات التي تغير فيها الجسيمات هويتها. إن التجارب طويلة الأمد، مثل تجارب T2K في اليابان، وMINOS في مينيسوتا، وOPERA في إيطاليا، تكشف عن حزم النيوترينو الصادرة عن مسرعات الجسيمات الموجودة على بعد مئات الكيلومترات، وذلك لقياس تغيرات النكهة التي تحدث عندما تنتقل جسيمات النيوترينو لمسافات كبيرة عبر الأرض [انظر المؤطر في الصفحة 43] الصفحة 2011]. إن نطاق هذه التجارب كبير جدًا لدرجة أن النيوترينوات قد تعبر الحدود بين الدول أو حتى الحدود الدولية في رحلتها. (في عام XNUMX، تصدرت تجربة OPERA عناوين الأخبار عندما أعلن فيزيائيون من هذا التعاون أن النيوترينوات من تجربتهم قد انتقلت على ما يبدو من مختبر CERN إلى المختبر الإيطالي الموجود تحت الأرض بسرعات أكبر من سرعة الضوء، وهو قياس سرعان ما ثبت أنه معيب. .) واستكمالاً لتجارب النيوترينو طويلة المدى هذه، يقيس مشروع شوزي المزدوج في فرنسا، وتجربة النيوترينو في مفاعل داي باي النووي في الصين وتجربة رينو في كوريا الجنوبية التذبذبات قصيرة المدى لجزيئات النيوترينو القادمة من المفاعلات النووية.

فقط في عام 2012، تمكنت هذه التجارب أخيرًا من تحديد حجم آخر وأصغر المعلمات المعروفة باسم زوايا الخلط، والتي تتحكم في تبادل نكهة جزيئات النيوترينو. زاوية الخلط الأخيرة التي يجب تحديدها، والمعروفة باسم "زاوية المفاعل"، تصف احتمالية خضوع نيوترينو الإلكترون أو نيوترينو الإلكترون لتغيير قصير المدى. بفضل قياسات زاوية المفاعل، من الممكن أن تكون تجارب النيوترينو المستقبلية قادرة على مقارنة خصائص جزيئات النيوترينو وخصائص النيوترينوات المضادة. سيتم تسمية عدم التماثل بين الجسيمات وشركائها من المادة المضادة بكسر تناظر CP (انتهاك تكافؤ الشحنة) ومع دراسات اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو، ستتمكن من تسليط الضوء على سر سبب وجود مادة أكثر من المادة المضادة في عالمنا. .

ومن بين عمليات البحث الجارية اليوم، فإن أول فرصة جدية لرؤية تلميحات لكسر تناظر CP قد تنتمي إلى تجربة T2K. لكن السباق بين تجارب الجيل الجديد للإجابة على الأسئلة الرئيسية حول جسيمات النيوترينو لم يحسم بعد، ويبدو أنه سيكون مثيرا. إن تجربة NOvA طويلة المدى، والتي يجري الآن إنشاءها في الولايات المتحدة الأمريكية، لديها أيضًا فرصة للكشف عن كسر تناظر CP في جزيئات النيوترينو. ستطلق نوفا حزم النيوترينو عبر الأرض، من مختبر مسرع فيرمي الوطني في باتافيا، إلينوي ("فيرميلاب")، في مسار مستقيم سيقطع ولاية ويسكونسن وشاطئ بحيرة سوبيريور، إلى الكاشف في الرماد. نهر في ولاية مينيسوتا، ومسافته 810 كيلومترات. سوف تنتقل جزيئات النيوترينو بهذه الطريقة في أقل من 3 مللي ثانية.

تخطط NOvA، من بين أهداف أخرى لأبحاثها، أيضًا لتوضيح التسلسل الهرمي الكتلي لجزيئات النيوترينو، أي تحديد أي من جسيمات النيوترينو هو الأخف وزنًا وأيها أثقل. حاليًا، يعرف الفيزيائيون فقط أن هناك نوعين على الأقل من النيوترينوات لديهم كتل غير صفرية، ولكن كما هو الحال مع العديد من جوانب هذه الجسيمات الشبحية، فإن التفاصيل بعيدة عنا.

أسرار عنيدة

في ضوء العدد الكبير من تجارب النيوترينو التي يتم إجراؤها حاليًا، والتي تم تصميم كل منها بشكل مختلف، ولها أهداف مختلفة وتستخدم مصادر جسيمات مختلفة، فإن البيانات المتنوعة الناشئة من أماكن مختلفة حول العالم تثير أحيانًا تفسيرات متضاربة. إن أحد القرائن التجريبية الأكثر إثارة، والأكثر إثارة للجدل، يثير احتمال وجود جسيم جديد، يعرف باسم النيوترينو العقيم.

يثير النيوترينو القاحل مخاوف باولي منذ عام 1930 من أنه سيكون من الممكن اكتشافه بشكل غير مباشر فقط، تمامًا مثل النيوترينو الأيمن من آلية اليد واليد، وهو أثقل بكثير منه. (ومع ذلك، من وجهة نظر نظرية، يكاد يكون من المستحيل أن يتعايش هذين الجسيمين المقترحين). ومع ذلك، ربما التقطت تجربتان أصداء من الخطوات المرفرفة للنيوترينو القاحل. كشفت تجربة LSND، التي أجريت في مختبر لوس ألاموس الوطني في التسعينيات، عن أدلة مبكرة ولكن مثيرة للجدل لنوع بعيد المنال من تحويل النكهة في النيوترينوات: النيوترينوات المضادة المتأينة التي تصبح نيوترينوات مضادة للإلكترون. تجربة Premilab MiniBooNE، والتي بدأت بإنتاج نتائج علمية في عام 90، ألمحت أيضًا إلى مثل هذه التحويلات. لكن تذبذبات LSND وMiniBooNE تفشل في التوافق بدقة مع الصورة المعتادة لثلاثة جسيمات نيوترينو.

تسمح ميكانيكا الكم لجزيئات النيوترينو بالتأرجح بين النكهات فقط إذا كانت لها كتلة، وفقط إذا كانت كل نكهة لها كتلة مختلفة. يمكن لكتل ​​النيوترينو المختلفة أن تؤدي إلى تحويلات نيوترينو قادرة على تفسير الحالات الشاذة التي اكتشفها LSND وMiniBooNE، ولكن فقط إذا كان هناك اختلاف في الكتلة بالإضافة إلى الاختلافات المعروفة بالفعل، أو بعبارة أخرى، فقط إذا كان هناك أربعة أنواع من النيوترينوات وليس ثلاثة. نيوترينو آخر مرتبط بالقوة الضعيفة سوف يسبب البوزون Z، الحامل للقوة الضعيفة، يتفكك بسرعة كبيرة جدًا، لذلك يجب ألا يخضع مثل هذا الجسيم لأي تفاعل مع القوة الضعيفة. ومن هنا تصنيف النيوترينو على أنه "قاحل": هذا النيوترينو المفترض سيكون منفصلاً تمامًا تقريبًا عن بقية حديقة الحيوان من الجسيمات.

وحتى في أجهزة الكشف من نوع مختلف تمامًا، والتي تلتقط جزيئات النيوترينو من المفاعلات النووية القريبة، فقد تم تسجيل نتائج مفاجئة قد تشير إلى وجود نيوترينوات عقيمة. في البيانات الواردة من العديد من تجارب المفاعلات، هناك علامات على اختفاء غير طبيعي لجسيمات النيوترينو المضادة للإلكترون على مسافات قصيرة جدًا، وهي ظاهرة، إذا تم تفسيرها من حيث تذبذبات النيوترينو، فإنها ستعني وجود جسيمات النيوترينو العقيمة. لقد كان هذا الشذوذ معروفًا منذ فترة طويلة، لكن عمليات إعادة الحسابات الأخيرة لمخرجات جسيمات النيوترينو من المفاعلات المختلفة عززت الحجة المتعلقة بجسيم جديد.

الدليل على وجود جسيمات النيوترينو العقيمة، حتى الآن، لا يزال في شكل مخطط عام، وهو غير مباشر ومتناقض - جميع الخصائص المتوقعة في حالة السعي وراء جسيم سيئ السمعة بمراوغته والذي قد ليست موجودة حتى. ولكن من الممكن أن يكون لدى MiniBooNE والتجربة المصاحبة المعروفة باسم MicroBooNE، والتي هي قيد الإنشاء في Primilab، شيء أكثر صلابة ليقولوه حول هذا الموضوع. كما تمت مناقشة مجموعة جديدة من التجارب المقترحة، والتي ستحقق في شذوذ المفاعل.

أحد الأشياء المذهلة هو أن مصادم الهادرونات الكبير (LHC) العظيم والتجارب منخفضة الطاقة نسبيًا على النيوترينو المتواضع توفر مسارات تكميلية لاستكشاف الأعمال الداخلية للطبيعة. بعد مرور أكثر من 80 عامًا على اختراع فولفغانغ باولي "الجسيم غير القابل للاكتشاف"، تستمر جزيئات النيوترينو في حماية أسرارها بغيرة. ومع ذلك، فإن المكافأة المحتملة لكشف هذه الأسرار تبرر الجهود التي استمرت لعقود من الزمن للتعمق أكثر في الحياة الخاصة للنيوترينوات.

_________________________________________________________________________________

عن المؤلفين

مارتن هيرش هو أستاذ في فريق فيزياء الطاقة العالية والجسيمات الفلكية في IFIC، في مركز فيزياء الجسيمات المشترك بين جامعة فالنسيا والمجلس الوطني للبحوث في إسبانيا.

هاينريش باس هو أستاذ في جامعة دورتموند التقنية في ألمانيا. كتابه "الموجة المثالية"، الذي يتناول جسيمات النيوترينو، على وشك النشر من قبل مطبعة جامعة هارفارد.

فيرنر بورود هو أستاذ بجامعة فورتسبورغ في ألمانيا.

باختصار

النيوترينو هو أغرب جسيم بين الجسيمات الأولية. يبدو أن جسيمات النيوترينو تكسر كل السوابق التي وضعتها أنواع الجسيمات المفهومة بشكل أفضل، مثل الإلكترونات والكواركات.

كان النيوترينو، الخفيف الوزن والمراوغ والأصعب في اكتشافه، مثارًا لأعصاب المجربين لعقود من الزمن.

وحتى اليوم، لا تزال الخصائص الأساسية للنيوترينو مثيرة للجدل. تتعلق بعض الأسئلة الرئيسية بأصل كتلتها الصغيرة، وطبيعة المادة المضادة في حالة النيوترينوات، وعدد أنواع النيوترينوات الموجودة. وغني عن القول أنهم يهتمون بهوايتهم، ويغيرون هويتهم أثناء التنقل.

إن الكشف عن الطبيعة الحقيقية للنيوترينو قد يمهد الطريق لنظرية فيزيائية أكثر توحيدًا.

 

قياس الكتلة / سوديب داس وتريستان ل. سميث

أسرار النيوترينوات مكتوبة في النجوم

أثبت قياس الكتلة الصغيرة للنيوترينو حتى الآن أنه مهمة مستحيلة، ولا يمكننا القول إننا لم نحاول. ولم تنجح العديد من التجارب المعملية التي أجريت خلال العقود الماضية إلا في وضع حدود عامة لكتل ​​النيوترينو الثلاث.

لدينا أسباب مقنعة للغاية تجعلنا نتوقع أن أفضل طريقة لقياس كتلة هذه الجسيمات الصغيرة هي، بشكل مدهش، البحث عن تأثيرها على المقاييس الأكبر للكون. لأنه على الرغم من أن النيوترينوات في الواقع عديمة الكتلة وغير مرئية تقريبًا، إلا أن عددها الهائل يبلغ حوالي 10⁸⁹ في الكون، مما يجعلهم لاعبين أساسيين في الكون.

منطقنا هو كما يلي: في وقت مبكر من تاريخ الكون، عندما كان كل شيء ساخنًا جدًا وكثيفًا للغاية، قامت التفاعلات النووية بتكوين الهيليوم من الهيدروجين، مما أدى إلى إطلاق كميات هائلة من جزيئات النيوترينو كمنتج ثانوي. ومع تطور الكون وتوسعه وتبريده، تضخمت الانحرافات الطفيفة في كثافة هذا الحساء البدائي من الجسيمات؛ وفي المناطق ذات الكثافة الأعلى من المتوسط، حاولت الجاذبية سحب المزيد من المواد إليها.

كانت المادة المظلمة، تلك المادة غير المرئية المسؤولة عن الجزء الأكبر من كتلة الكون، أول من انهار إلى كتل، لأن تفاعلاتها هي جاذبية بحتة. شكلت هذه الكتل البدائية من المادة المظلمة بذور المجرات وعناقيد المجرات التي نراها اليوم. بدأت النيوترينوات، وهي خفيفة بشكل لا يصدق، في التراكم بعد فترة قصيرة من تطور الكون. وفي الواقع، فإن قدرة جزيئات النيوترينو على المرور بحرية عبر الكون أدت إلى إبطاء تراكم المادة المظلمة، ويجب أن نكون قادرين على اكتشاف آثار هذا التأثير في الوقت الحاضر.

كلما زادت كتلة جسيمات النيوترينو، زاد التأخير الذي أحدثته في تراكم المادة، وهي ظاهرة ستظهر عمليًا في عدم وضوح حدود بنية الكون على نطاق واسع. إذا قمنا بقياس توزيع المادة في الكون، يمكننا أن نستنتج مدى ضخامة كتلة جسيمات النيوترينو.

إن رسم خريطة لتوزيع المادة، ومعظمها مادة مظلمة، ليس بالمهمة السهلة والبسيطة. ومع ذلك، رأى الباحثون أن بقايا الإشعاع الناتج عن الانفجار الكبير، والمعروف باسم إشعاع الخلفية الكونية (CMB)، مشوهة قليلاً بسبب انحناء الضوء الناتج عن تأثيرات الجاذبية لكتل ​​المادة المظلمة التي تملأ الفراغ بين الكون. إشعاع الخلفية ونحن. يعد فحص تأثير "غبار الجاذبية" على الإشعاع CMB طريقة واعدة جدًا لقياس توزيع المادة المظلمة في الكون.

ستسمح لنا القياسات الدقيقة الجديدة الجارية الآن للإشعاع CMB بقياس تشوهات الكون بدقة عالية جدًا، ورسم خرائط فعالة للمادة المظلمة غير المرئية. إذا كان توزيع المادة المظلمة يقتصر على هياكل ذات حدود حادة، مفصولة عن بعضها البعض بمساحات فارغة، فيمكننا أن نستنتج أن كتل النيوترينو صغيرة؛ وبدلاً من ذلك، إذا كانت الحدود غير واضحة، فسنعرف أن كتل النيوترينو أكبر. سيسمح لنا الجيل الجديد من تجارب CMB بتحديد مجموع كتل الأنواع الثلاثة من النيوترينوات بدقة تصل إلى خمسة أجزاء من المليون من كتلة الإلكترون.

إن حقيقة أننا قد نكون قادرين على قياس كتلة أخف الجسيمات دون الذرية وأكثرها مراوغة، من خلال مراقبة الكون ككل، ليست أكثر من مثال آخر على أن دراسة الفيزياء، عبر جميع المقاييس، لا تزال تدهشنا. وتشجيع علماء الفيزياء الفلكية على الغوص بشكل أعمق وأعمق في تعقيدات آليات العالم الطبيعي.

سوديب داس هو طالب ما بعد الدكتوراه، وطالب في منحة ديفيد شرام البحثية في مختبر أرجون الوطني.

تريستان سميث هو زميل ما بعد الدكتوراه في مركز بيركلي للفيزياء الكونية بجامعة كاليفورنيا، بيركلي.

والمزيد حول هذا الموضوع

اختبار خلط النيوترينو في تجارب المصادم المستقبلية. دبليو بورود، إم هيرش، ج. روماو، وجي دبليو إف فالي إن مراجعة البدنية د، المجلد. 63، لا. 11، المادة رقم. 115004; 30 أبريل 2001.

كتل النيوترينو وفيزياء الجسيمات خارج النموذج القياسي. H. Päs in أنالين دير فيزيك، المجلد. 11، لا. 8، الصفحات 551-572؛ سبتمبر 2002.