جزيئات من الفضاء في أعماق الجليد

تم اكتشاف نيوترينوات عالية الطاقة في كاشف ضخم في القارة القطبية الجنوبية

منذ أكثر من قرن من الزمان، درس العالمان الألمانيان ليزا مايتنر وأوتو هان عمليات التحلل الإشعاعي للنواة الذرية، واكتشفا أن شيئًا ما كان مفقودًا. ولم تتوافق الطاقة المنطلقة في العملية مع الكثافة المتوقعة، ولم يتمكنوا من تفسير النقص. وبعد عشرين عاما، في عام 1931، تمكن العالم النمساوي فولفجانج باولي من حل اللغز - على الأقل من الناحية النظرية. وتوقع أنه خلال الاضمحلال يتم إطلاق جسيم صغير آخر، يفتقر إلى الشحنة الكهربائية. أراد باولي أن يطلق على الجسيم الغريب اسم "النيوترون"، لأنه ليس لديه أي شحنة، لكن هذا الاسم أخذه من جسيم أكبر بكثير تم اكتشافه قبل بضع سنوات. أعطى الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي للجسيم الجديد اسم "النيوترينو" - والذي يعني "النيوترون الصغير" باللغة الإيطالية. استغرق الأمر أكثر من 20 عامًا من البحث قبل أن يتمكن عالمان أمريكيان، كلايد كوان وفريدريك رينز (كوان ورينز)، من التحقق من تنبؤات باولي، وإثبات أن جسيم النيوترينو قد تم إنشاؤه بالفعل في الانشطار النووي.

جسيم بعيد المنال

النيوترينو جسيم غريب للغاية، لأنه لا يتفاعل مع أي مادة تقريبًا. إنه يتحرك بسرعة الضوء تقريبًا (ولكن ليس بشكل أسرع، كما تم نشره عن طريق الخطأ قبل عامين) ولا يتفاعل مع أي مادة تقريبًا - فهو يمر بسهولة عبر الجبال والمحيطات والمجرات بأكملها. منذ اللحظة التي بدأت فيها قراءة هذا المقال، مرت تريليونات من النيوترينوات عبر جسمك دون أن تشعر على الإطلاق. كان هناك شخص يعتقد أنه لإيقاف النيوترينوات، هناك حاجة إلى جدار رصاص أكثر سمكًا من النظام الشمسي بأكمله...

إذا كان النيوترينو بعيد المنال إلى هذا الحد، فكيف يمكن اكتشافه؟ إن تفاعلها مع المادة هو حدث نادر جدًا، ولكن بما أن هناك الكثير من النيوترينوات حولنا، فإن الكمية كافية لاكتشاف بعضها في كاشف مناسب. عندما يتفاعل النيوترينو مع شيء ما، يتم إنتاج ضوء صغير. نحيف جدا أقل بكثير من جزء من المليار من قوة المصباح الكهربائي العادي. تُستخدم أجهزة الكشف القادرة على استقبال شدة الضوء هذه للكشف عن النيوترينوات.

أسرار من الفضاء السحيق

يتم إنشاء معظم النيوترينوات من حولنا في البيئة المباشرة: فالذرات تتحلل باستمرار في عملية طبيعية، والعديد من الجسيمات تأتي أيضًا من التحلل في الغلاف الجوي والشمس. لكن هناك أيضًا نيوترينوات تأتي من مسافات أكبر بكثير، بعد إطلاقها في انفجارات كونية في أعماق الفضاء، مثل انفجار النجوم المعروفة باسم "المستعرات الفائقة"، أو الأحداث المعروفة باسم "انفجارات أشعة جاما"، والتي لا تزال طبيعتها غير واضحة. وبما أن النيوترينوات عالية الطاقة نادرة جدًا، فإن اكتشافها يتطلب أجهزة ذات مستوى مختلف من حيث الحجم. ويجب أن يكون كبيرًا جدًا (لزيادة فرصة اكتشاف جسيمات نادرة نسبيًا)، ويجب أن يكون شفافًا، حتى تتمكن أجهزة الكشف المنتشرة فيه من التقاط الضوء الخافت الناتج عن اضمحلال النيوترينو. والوسط الأنسب هو الجليد (أو الماء)، ولذلك تم بناء الكاشف العملاق في أعماق جليد القارة القطبية الجنوبية، على مقربة شديدة من القطب الجنوبي.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• ضيوف من حافة الكون
• العلم على الجليد
• تم الانتهاء من بناء تلسكوب آيس كيوب نيوترينو في القطب الجنوبي

يتكون الكاشف، المعروف باسم IceCube، في الواقع من 86 سلسلة، يتم تجميع 60 مستشعرًا ضوئيًا متطورًا في كل منها، كل منها في كرة أكبر قليلاً من كرة السلة. تم إنزال كل سلسلة من هذه السلسلة في عمود يبلغ عمقه حوالي 2.5 كيلومتر، لتكوين مكعب يبلغ طوله كيلومترًا مكعبًا، يتكون من 5,160 كاشفًا، يقع الجزء العلوي منه على عمق كيلومتر ونصف تحت الأرض (انظر الرسم البياني). وتم الانتهاء من عمل الكاشف منذ نحو عامين، بتكلفة بلغت نحو 240 مليون دولار، بالتعاون مع عدة مؤسسات حول العالم، على رأسها مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF). الآن، أفاد الباحثون في مجلة Science أنه خلال عامين من الملاحظات، تم اكتشاف ما لا يقل عن 28 نيوترينو عالي الطاقة، مع طاقات تزيد عن 30 تيرا إلكترون فولت (Tev)، في IceCube. يمتلك اثنان منهم طاقة تزيد عن 1000 تيرا إلكترون فولت، وليس لدى الباحثين أدنى شك في أن هذه الجسيمات لم تنشأ في بيئتنا المباشرة. مع هذه الطاقة الهائلة، لا يمكن شحنها إلا في الأحداث الكونية البعيدة والقوية للغاية، حيث تبلغ طاقتها أكثر من 30 تيرا إلكترون فولت (Tev). يمتلك اثنان منهم طاقة تزيد عن 1000 تيرا إلكترون فولت، وليس لدى الباحثين أدنى شك في أن هذه الجسيمات لم تنشأ في بيئتنا المباشرة. وبهذه الطاقة الهائلة لا يمكن شحنها إلا في الأحداث الكونية البعيدة والقوية للغاية. "هذا عصر جديد لعلم الفلك. تقول الدكتورة هاجر لاندسمان فيلس من معهد وايزمان للعلوم: "إننا ننظر بالفعل إلى الكون ليس فقط من خلال الأشعة الضوئية (على سبيل المثال، الضوء المرئي أو موجات الراديو أو أشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي)، ولكن أيضًا من خلال جسيمات النيوترينو". الذي شارك في تطوير وإنشاء كاشف IceCube. "سيزودنا النيوترينو بمزيد من المعلومات حول الإشعاع الكوني؛ حول الانفجارات النشطة للغاية التي تحدث في الفضاء مثل انفجارات أشعة جاما؛ وعن ظواهر حيوية أخرى تحدث خارج مجرتنا".

توقع المفاجآت
وفي الوقت الحالي، لم يتمكن الباحثون بعد من مطابقة شدة واتجاه الجسيمات التي تم اكتشافها، مع حدث كوني معروف لنا. بمعنى آخر، ما زالوا لا يعرفون بالضبط أصل النيوترينوات المكتشفة في الكاشف. ويأملون أن تصبح مثل هذه التعديلات ممكنة في المستقبل. إذا لم يحدث ذلك في IceCube، فمن المحتمل جدًا أن يحدث في كاشف الجيل التالي الذي تعمل لاندسمان-فيلز وزملاؤها حاليًا على تصميمه. وعلى عكس IceCube، فإن الكاشف الجديد المعروف باسم Askaryan Radio Array (ARA)، لن يعتمد على كاشفات الضوء، ولكن على أجهزة استشعار لموجات الراديو، والتي يتم إنشاؤها أيضًا عن طريق تفاعل النيوترينوات مع المادة. تتقدم موجات الراديو بشكل أفضل في الجليد، لذا ستكون هناك حاجة إلى عدد أقل من أجهزة الاستشعار لكل وحدة مساحة وسيكون من الممكن نشر الكاشف على منطقة أكبر وأكثر عمقًا. وينبغي أن يكون الكاشف الجديد أقل تعقيدا بكثير من الناحية الهندسية، لأنه لا يتطلب الحفر على عمق 2.5 كيلومتر، بل بضع عشرات من الأمتار فقط، كما أنه أقل تكلفة بكثير من سابقه. ويأمل الباحثون أن تسفر أيضًا عن ملاحظات رائعة، وتعمق قدرتنا على فهم الظواهر التي لا يمكننا رؤيتها بعيدًا في أعماق الفضاء. بالإضافة إلى ذلك، يقول لاندسمان فيلز، في كل مرة يقوم العلماء ببناء مثل هذا الجهاز المعقد بقدرات جديدة، نكتشف أيضًا أشياء لم نتوقع العثور عليها، وأحيانًا مع تطبيقات مفاجئة. من الممكن جدًا أن نكتشف مفاجآت من الفضاء في جليد الأعماق الجنوبية بالتحديد.