سر النيوترون

ولحسن الحظ بالنسبة للحياة على الأرض، فإن معظم المواد ليست مشعة. نحن نعتبر هذه الحقيقة أمرا مفروغا منه، ولكنها في الواقع مثيرة للدهشة تماما، لأن النيوترون، وهو أحد مكوني النواة الذرية (بالإضافة إلى البروتون)، متجه للتحلل الإشعاعي. داخل النواة الذرية، يمكن للنيوترون النموذجي البقاء على قيد الحياة لفترة طويلة جدًا وقد لا يتحلل أبدًا، ولكن عندما يكون بمفرده، فإنه سيتحول إلى جسيمات أخرى في غضون 15 دقيقة أو نحو ذلك. إن عبارة "أكثر أو أقل" تغطي فجوة مزعجة في فهم الفيزيائيين لهذا الجسيم. وعلى الرغم من بذل قصارى جهدنا، إلا أننا لم نتمكن بعد من قياس عمر النيوترون بدقة.

"لغز عمر النيوترون" ليس فقط مصدر إحراج لنا نحن المجربين، بل يجب علينا حله إذا أردنا فهم طبيعة الكون. تعد عملية اضمحلال النيوترونات واحدة من أبسط الأمثلة على القوة النووية "الضعيفة" - إحدى القوى الأساسية الأربع في الطبيعة. لكي نفهم القوة الضعيفة حقًا، يجب أن نعرف المدة التي تعيشها النيوترونات. علاوة على ذلك، فإن طول الفترة الزمنية التي استمر فيها النيوترون تحدد كيفية تشكل العناصر الكيميائية الأخف لأول مرة بعد الانفجار الكبير. ويود علماء الكون حساب النسب النسبية للعناصر ومقارنتها بالقياسات الفيزيائية الفلكية: فالتطابق من شأنه أن يؤكد الصورة النظرية، وعدم التطابق قد يشير إلى أن ظاهرة غير مكتشفة حتى الآن أثرت على العملية. ومع ذلك، من أجل إجراء مثل هذه المقارنة، يجب علينا أن نعرف ما هو عمر النيوترون.

حاولت مجموعتان تجريبيتان، إحداهما تعمل في فرنسا بتوجيه روسي والأخرى أمريكية، منذ أكثر من 10 سنوات، كل على حدة، قياس متوسط ​​العمر المتوقع بدقة. واحد منا (جلاتنبورت) كان عضوا في الفريق الأول، والثاني (أخضر) كان عضوا في الفريق الثاني. لقد فوجئنا نحن وزملائنا، وانزعجنا قليلًا أيضًا، عندما اكتشفنا وجود فجوة كبيرة بين نتائجنا. وقد اقترح بعض المنظرين أن الاختلاف يرجع إلى الفيزياء الغريبة، أي أن بعض النيوترونات في التجربة أصبحت جسيمات لم يتم اكتشافها من قبل، وهي ظاهرة قد تؤثر على التجارب المختلفة بطرق متنوعة. لكننا نشتبه في أن السبب روتيني أكثر بكثير: من الممكن أن تكون إحدى المجموعتين، أو حتى كلتيهما، قد ارتكبت خطأً، أو على الأرجح، بالغت في تقدير دقة تجربتها. أكمل الفريق الأمريكي الآن مشروعًا طويلًا ومضنيًا يهدف إلى اختبار المصدر الرئيسي لعدم اليقين في تجربته على أمل حل التناقض. لكن العمل الجاد لم يبدد الضباب، بل أكد فقط نتيجتنا السابقة. وبالمثل، أكد باحثون آخرون في وقت لاحق النتائج التي توصل إليها فريق جلاتنبورت. وهذا التناقض جعلنا أكثر حيرة. لكننا لا نقول اليأس، إذ تواصل المجموعتان والباحثون الآخرون البحث عن إجابات.

جدولة النيوترونات

من الناحية النظرية، ينبغي أن يكون قياس عمر النيوترون مهمة بسيطة ومباشرة. إن فيزياء التحلل الإشعاعي مفهومة جيدًا، ولدينا أساليب متطورة لدراسة هذه العملية. نحن نعلم، على سبيل المثال، أنه إذا كان لدى الجسيم إمكانية أن يصبح جسيمًا له كتلة أصغر أو عدة جسيمات مجموعها أصغر، وفي هذه العملية يحتفظ بخصائص مثل الشحنة أو الزخم الزاوي المعبر عنه في دورانه، فإنه سيفعل ذلك بالفعل لذا. النيوترونات الحرة تظهر عدم الاستقرار هذا. في عملية تسمى اضمحلال بيتا، يتحلل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد (نظير النيوترينو من المادة المضادة)، وهي ثلاثة جسيمات كتلتها الإجمالية مجتمعة أقل إلى حد ما من كتلة النيوترون، ولكن مجموع شحناتها، والكميات المحفوظة الأخرى هي نفسها التي كانت في النيوترون الأم. وتشمل هذه الكميات المحفوظة "طاقة الكتلة"، أي أن الجسيمات الابنة تحمل فرق الكتلة على شكل طاقة حركية، أي طاقة الحركة.

لا يمكننا التنبؤ بدقة بموعد اضمحلال نيوترون معين، لأن هذه العملية هي ظاهرة كمومية عشوائية في الأساس، ولا يمكننا إلا أن نقول كم من الوقت تعيش النيوترونات في المتوسط. ولذلك، يجب علينا قياس متوسط ​​عمر النيوترون من خلال فحص اضمحلال العديد من النيوترونات.

استخدم الباحثون طريقتين تجريبيتين - إحداهما تسمى طريقة "الزجاجة"، والأخرى تسمى طريقة "الشعاع". تحصر تجارب القارورة النيوترونات داخل حاوية وتحسب عددها المتبقي بعد فترة زمنية معينة. ومن ناحية أخرى، في طريقة الشعاع، لا يتم البحث عن اختفاء النيوترونات، بل عن ظهور الجسيمات التي تتحلل إليها.

يمثل أسلوب الزجاجة تحديًا كبيرًا، لأن النيوترونات يمكنها المرور بسهولة عبر المواد، وأيضًا عبر جدران معظم الحاويات. في أعقاب اقتراح صاغه لأول مرة بشكل صريح الفيزيائي الروسي يوري زيلدوفيتش، تمكن المجربون الذين يستخدمون نهج القارورة - مثل جلاتنبورت وزملائه في فرنسا - من التغلب على المشكلة عن طريق محاصرة النيوترونات شديدة البرودة (أي النيوترونات ذات الطاقة الحركية القليلة جدًا) داخل حاوية ذات جدران ناعمة للغاية [انظر الرسم التوضيحي]. إذا كانت النيوترونات بطيئة بدرجة كافية وكانت الزجاجة ناعمة بدرجة كافية، فسوف تنعكس من الجدران، وبالتالي ستبقى داخل الزجاجة. ولتحقيق مثل هذه النتيجة، يجب أن تكون سرعات النيوترونات في حدود بضعة أمتار في الثانية، على عكس السرعة التي تبلغ حوالي 10 ملايين متر في الثانية، أو نحو ذلك، التي تنتقل بها عندما تنبعث أثناء النشاط النووي. الانشطار، على سبيل المثال. هذه النيوترونات "شديدة البرودة" بطيئة جدًا بحيث يمكنك تجاوزها. تم إجراء تجربة الزجاجة الأكثر دقة حتى الآن في معهد لاو لانجفان (ILL) في مدينة غرونوبل في فرنسا.

لسوء الحظ، لا توجد زجاجة مثالية. إذا تسربت النيوترونات من الزجاجة من حين لآخر، فسوف نعزو هذه الخسارة إلى اضمحلال بيتا ونحصل على عمر غير صحيح. ولذلك، يجب أن نتأكد من إدخال تصحيح في حساباتنا بحيث نأخذ في الاعتبار فقط الجسيمات التي خضعت بالفعل لتحلل بيتا.

لهذا الإصلاح استخدمنا طريقة متطورة. يعتمد عدد النيوترونات المفقودة عبر جدران الدورق على معدل اصطدام النيوترونات بالجدران. فإذا كانت النيوترونات أبطأ أو كانت الزجاجة أكبر، سينخفض ​​معدل الاصطدامات - وعلى أي حال، سينخفض ​​معدل فقدان النيوترونات أيضًا. لقد أجرينا سلسلة من التجارب غيّرنا خلالها كلاً من حجم الزجاجة وطاقة (وبالتالي سرعة) النيوترونات، وبالتالي تمكنا من خلال الاستقراء من الارتباط بزجاجة افتراضية لا يوجد فيها تصادمات وفي أي مكان. الحالة - لا توجد خسائر عبر الجدران أيضًا. وبطبيعة الحال، هذا الاستقراء ليس مثاليا، لكننا نبذل قصارى جهدنا لمراعاة أي أخطاء متضمنة في هذه العملية الحسابية.

في طريقة الشعاع - يستخدمها جرين وآخرون في مركز أبحاث النيوترونات في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (نيست) - أرسلنا تيارًا من النيوترونات الباردة عبر مجال مغناطيسي وحلقة من الأقطاب الكهربائية عالية الجهد التي تحبس الشحنات الموجبة الشحنة [انظر الشكل]. النيوترونات محايدة كهربائيًا، لذا فهي تمر مباشرة عبر المصيدة دون عوائق. ومع ذلك، إذا اضمحل النيوترون داخل المصيدة، فإن البروتون الناتج، المشحون بشحنة موجبة، يظل "عالقًا". على فترات منتظمة، "نفتح" المصيدة، ونزيل البروتونات من هناك ونحسبها. في الأساس، فإن التقاط البروتونات واكتشافها قريب من الكمال، وعلينا إدخال تصحيحات طفيفة فقط للتعويض عن احتمال أننا قد أخطأنا في الاضمحلال.

أين يمكن أن نخطئ؟

لكي يكون القياس مفيدًا، يجب أن يكون مصحوبًا بتقييم موثوق لدرجة دقته. على سبيل المثال، فإن قياس طول شخص ما مع درجة عدم يقين تبلغ مترًا واحدًا سيعطي نتائج أقل أهمية بكثير من القياس الذي تبلغ نسبة عدم اليقين فيه ملليمترًا واحدًا. لهذا السبب، عندما نقوم بإجراء قياسات دقيقة، يجب علينا دائمًا الإبلاغ عن عدم اليقين في التجربة؛ على سبيل المثال، يعني عدم اليقين لمدة ثانية واحدة أن هناك احتمالًا كبيرًا ألا تنحرف نتيجة القياس لدينا عن القيمة الحقيقية بأكثر من ثانية واحدة، لأعلى أو لأسفل.

بشكل عام، أي قياس له مصدران لعدم اليقين. ينشأ خطأ إحصائي لأنه في التجربة من الممكن قياس عينة محدودة فقط - في حالتنا، يتحلل عدد محدود من الجسيمات. كلما كانت العينة أكبر، كلما كان القياس أكثر موثوقية وقل الخطأ الإحصائي.

أما المصدر الآخر لعدم اليقين - الخطأ المنهجي - فهو أكثر صعوبة في التقييم لأنه نشأ بسبب أوجه القصور في عملية القياس. يمكن أن تكون أوجه القصور هذه شيئًا بسيطًا، مثل قياس طول الشخص باستخدام شريط قياس تمت معايرته بشكل غير صحيح، وقد تكون أكثر دقة، مثل عينة متحيزة - في استطلاع عبر الهاتف، على سبيل المثال، قد تركز كثيرًا على المكالمات إلى الخطوط الأرضية بدلاً من الهواتف المحمولة، وبالتالي فقدان عينة ممثلة حقيقية للسكان. ويبذل المجربون جهودًا هائلة لتقليل هذه الأخطاء المنهجية، لكن من المستحيل إزالتها تمامًا. أفضل ما يمكننا فعله هو إجراء دراسة تفصيلية لجميع مصادر الخطأ التي يمكن تخيلها ومن ثم تقدير تأثير كل منها على النتيجة النهائية. ثم نضيف هذا الخطأ المنهجي إلى الخطأ الإحصائي للحصول على أفضل تقدير لموثوقية القياس الإجمالية. وبعبارة أخرى، فإننا نبذل الكثير من الجهد لتقييم "المجهول المعلوم".

وبطبيعة الحال، فإن مصدر قلقنا الأكبر هو أننا نفقد رؤية "المجهول المجهول" - وهو التأثير المنهجي الذي لا نعرف حتى أننا لا نعرف عنه - المختبئ داخل الإجراء التجريبي. وعلى الرغم من كل ذلك، فإننا نعمل جاهدين للتحقق من جميع أوجه عدم اليقين المحتملة، إلا أن الطريقة الوحيدة للتغلب على خطأ آخر من هذا النوع بثقة حقيقية هي إجراء قياس مختلف ومستقل تمامًا باستخدام طريقة قياس مختلفة تمامًا وتأثيراتها المنهجية مختلفة. إذا اتفق قياسان من هذا القبيل، ضمن نطاق عدم اليقين المحسوب لكل منهما، فيمكننا أن نثق في النتائج. ولكن إذا لم يتطابقوا، فلدينا مشكلة.

لقياس عمر النيوترون، لدينا طريقتان مستقلتان: الشعاع والزجاجة. أحدث نتيجة من تجربة الشعاع في NIST لعمر النيوترون هي 887.7 ثانية. لقد توصلنا إلى أن عدم اليقين الإحصائي في تقديرنا هو 1.2 ثانية وعدم اليقين المنهجي هو 1.9 ثانية. والإضافة الإحصائية لهذين النطاقين من الخطأ تعطي عدم يقين إجمالي قدره 2.2 ثانية، وهذا يعني أننا نعتقد أن القيمة الحقيقية لعمر النيوترون تقع ضمن 2.2 ثانية من القيمة المقاسة، مع احتمال 68%.

ومع ذلك، في تجربة القارورة في ILL، كان عمر النيوترون المُقاس 878.5 ثانية مع عدم يقين إحصائي قدره 0.7 ثانية، وعدم يقين منهجي قدره 0.3 ثانية، وعدم يقين إجمالي قدره 0.8 ثانية.

وتعد هاتان التجربتان الأكثر دقة من نوعها في العالم لقياس عمر النيوترون، وتختلف نتائجهما بنحو تسع ثوان. قد لا يبدو هذا الإطار الزمني كبيرًا جدًا، لكنه أكبر بكثير من حالات عدم اليقين المحسوبة في التجربتين - فاحتمال الحصول على فرق بهذا الحجم بالصدفة أقل من 1 في 10,000. ولذلك يجب أن ننظر جدياً إلى احتمال أن يكون التناقض نابعاً من مجهول مجهول، أي أننا قد أغفلنا شيئاً مهماً.

الفيزياء الغريبة

ولهذا الاختلاف تفسير محتمل مثير: وهو أنه يعكس في الواقع ظاهرة فيزيائية غريبة لم يتم اكتشافها بعد. أحد أسباب الاعتقاد بوجود مثل هذه الظاهرة هو أنه على الرغم من عدم تطابق نتائج الشعاع والزجاجة، إلا أن دراسات الشعاع الأخرى تظهر توافقًا جيدًا فيما بينها، وبالمثل أيضًا دراسات الزجاجة.

تخيل، على سبيل المثال، أنه بالإضافة إلى اضمحلال بيتا الطبيعي، تتحلل النيوترونات أيضًا من خلال عملية غير معروفة حتى الآن، والتي لا تخلق البروتونات التي يتم البحث عنها في تجارب الشعاع. ستكون تجارب القارورة، التي تحسب العدد الإجمالي للنيوترونات "المفقودة"، قادرة على حساب كل من النيوترونات التي تختفي خلال اضمحلال بيتا وتلك التي مرت بهذه العملية الأخرى. يمكننا بالتالي أن نستنتج أن العمر الافتراضي للنيوترون أقصر من العمر الافتراضي الذي يتأثر فقط باضمحلال بيتا "العادي". وفي الوقت نفسه، لن تسجل تجارب الشعاع إلا اضمحلالات بيتا التي تنتج البروتونات، وبالتالي تعطي قيمة أعلى مدى الحياة. وحتى الآن، كما رأينا، فإن تجارب الشعاع تقيس بالفعل عمرًا أطول إلى حد ما من ذلك الذي تم قياسه في تجارب القارورة.

هناك بعض المنظرين الذين يأخذون هذه الفكرة على محمل الجد. زوراب برجياني اقترح وزملاؤه من جامعة لاكويلا في إيطاليا مثل هذه العملية الثانوية: حيث يقترحون أن النيوترون الحر قد يصبح في بعض الأحيان "نيوترونًا مرآتيًا" لا يتفاعل بعد الآن مع المادة العادية، وبالتالي سيظهر كما لو كان قد اختفى. يمكن لمثل هذه المواد المرآة أن تساهم في إجمالي كمية المادة المظلمة في الكون. وعلى الرغم من أن هذه الفكرة مثيرة للغاية، إلا أنها حتى الآن ليست أكثر من مجرد فرضية لا أساس لها من الصحة. هناك حاجة إلى تأكيد أكثر وضوحًا للفجوة بين طريقة الزجاجة وطريقة الشعاع لقياس العمر الافتراضي للنيوترون، بحيث يتفق معظم علماء الفيزياء على قبول مثل هذه الفكرة الثورية باعتبارها مادة مرآة.

نحن نعتقد أن الاحتمال الأكثر منطقية هو أن إحدى التجربتين (أو ربما كلتيهما) لم تقدر التأثير المنهجي بشكل صحيح، أو تجاهلت مثل هذا التأثير. يوجد مثل هذا الاحتمال دائمًا عند العمل باستخدام إعدادات تجريبية دقيقة وحساسة.

ما أهمية عمر النيوترون؟

إن اكتشاف ما فاتنا يمكن أن يمنحنا بالطبع، نحن المجربين، بعض راحة البال. ولكن الأهم من ذلك - إذا تمكنا من الوصول إلى جوهر هذا اللغز وقياس العمر الافتراضي للنيوترون بدقة، فقد نتمكن من التعامل مع العديد من الأسئلة الأساسية والقديمة حول عالمنا.

أولًا وقبل كل شيء، التقدير الدقيق للزمن المميز لاضمحلال النيوترونات سوف يعلمنا كيف تؤثر القوة الضعيفة على الجسيمات الأخرى. القوة الضعيفة هي المسؤولة عن جميع حالات الاضمحلال الإشعاعي تقريبًا وهي السبب، على سبيل المثال، في الاندماج النووي الذي يحدث داخل الشمس. يعد تحلل بيتا النيوتروني أحد أبسط وأنقى الأمثلة على تفاعل القوى الضعيفة. لحساب تفاصيل العمليات النووية الأخرى الأكثر تعقيدًا والتي تتضمن القوة الضعيفة، يجب علينا أولًا أن نكتسب فهمًا كاملاً لكيفية عملها في اضمحلال النيوترونات.

إن تحديد المعدل الدقيق لاضمحلال النيوترونات سيساعدنا أيضًا في اختبار نظرية الانفجار الكبير التي تصف التطور المبكر للكون. وفقًا لهذه النظرية، عندما كان عمر الكون حوالي ثانية واحدة، كان يتكون من خليط ساخن ومضغوط من الجسيمات: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات والمزيد. في تلك المرحلة، كانت درجة حرارة الكون حوالي 10 مليار درجة - ساخنة جدًا لدرجة أن طاقة هذه الجسيمات كانت عالية جدًا بحيث لا يمكنها الارتباط معًا لتكوين نوى أو ذرات. وبعد حوالي ثلاث دقائق، توسع الكون وبرد إلى درجة حرارة حيث يمكن للبروتونات والنيوترونات أن تلتصق ببعضها البعض لتشكل أبسط نواة ذرية، الديوتيريوم (النظير الثقيل للهيدروجين). من هناك فصاعدًا، يمكن تشكيل نواة بسيطة أخرى - يمكن للديوتيريوم أن يلتقط بروتونًا ويشكل نظير الهيليوم، ويمكن أن تندمج نواتا الديوتيريوم لتكوين هيليوم أثقل، وتتشكل كميات صغيرة من نوى أصغر، حتى عنصر الليثيوم (كلها أما العناصر الأثقل فقد تشكلت، حسب النظرية المقبولة، داخل النجوم بعد ملايين السنين).

وتسمى هذه العملية التخليق النووي للانفجار الكبير. لو أن النيوترونات، عندما فقد الكون حرارته، كانت ستضمحل بمعدل أسرع بكثير من معدل تبريد الكون، لما كانت هناك نيوترونات متبقية في المرحلة التي يصل فيها الكون إلى درجة حرارة مناسبة لتكوين النوى - فقط لبقيت البروتونات، وكنا قد حصلنا على كون يتكون بالكامل تقريبًا من الهيدروجين. من ناحية أخرى، إذا كان عمر النيوترون أطول بكثير من الوقت اللازم للتبريد الذي يتيح التخليق النووي للانفجار الأعظم، فستكون النتيجة كونًا به الكثير من الهيليوم، مما سيؤثر بدوره على خلق العناصر الأثقل المعنية. في تطور النجوم وفي نهاية المطاف - تطور الحياة. ومن ثم يتبين أن التوازن بين معدل تبريد الكون وعمر النيوترون هو عامل حاسم في خلق العناصر التي يتكون منها كوكبنا وكل شيء عليه.

تسمح لنا البيانات الفلكية بقياس النسبة الكونية بين الهيليوم والهيدروجين، بالإضافة إلى كميات الديوتيريوم والعناصر الضوئية الأخرى الموجودة في جميع أنحاء الكون. ونود أن نرى ما إذا كانت هذه القياسات متوافقة مع الأرقام التي تنبأت بها نظرية الانفجار الأعظم. ومع ذلك، يعتمد التنبؤ النظري على القيمة الدقيقة لعمر النيوترون. وبدون قيمة موثوقة لهذا العمر، فإن قدرتنا على إجراء مقارنة ستكون محدودة. بمجرد أن نعرف عمر النيوترون بشكل أكثر دقة، يمكننا مقارنة النسبة المرصودة التي حصلنا عليها من تجارب الفيزياء الفلكية مع القيمة التي تنبأت بها النظرية. إذا تطابقت، يمكننا أن نشعر بثقة أكبر في السيناريو القياسي لنظرية الانفجار الكبير حول كيفية تطور الكون. وبطبيعة الحال، إذا لم تكن مناسبة، فقد نضطر إلى تغيير هذا النموذج. على سبيل المثال، قد تفرض بعض التناقضات وجود جسيمات غريبة جديدة في الكون، مثل نوع آخر من النيوترينو، والذي يمكن أن يتداخل مع عملية التخليق النووي.

إحدى طرق التوفيق بين تجربة الشعاع وتجربة الزجاجة هي إجراء المزيد من التجارب باستخدام طرق ذات دقة مماثلة، ولا تخضع لنفس الأخطاء المنهجية التي قد تربكنا. وإلى جانب الفرق التي تواصل تنفيذ مشاريع الزجاجة والشعاع، يعمل علماء في مجموعات أخرى حول العالم على طرق بديلة لقياس عمر النيوترون. تعمل إحدى المجموعات في المرفق الياباني المشترك لتسريع البروتونات (J-PARC) في توكاي على تطوير تجربة شعاعية جديدة ستكتشف الإلكترونات، بدلًا من البروتونات الناتجة عن اضمحلال النيوترونات. وفي تطور مثير آخر، تخطط مجموعات من معهد القانون الدولي، ومعهد سانت بطرسبورغ للفيزياء النووية في روسيا، ومختبر لوس ألاموس الوطني، والجامعة التقنية في ميونيخ، وجامعة يوهان غوتنبرغ في ماينز في ألمانيا، لاستخدام زجاجات النيوترونات التي ستحصر البرودة الفائقة. تستخدم النيوترونات المجالات المغناطيسية بدلاً من الجدران المادية. وهذا ممكن لأن النيوترون، على الرغم من كونه متعادلًا كهربائيًا، إلا أنه يتصرف كما لو كان مغناطيسًا صغيرًا. يجب أن يكون عدد النيوترونات التي سيتم فقدها عن طريق الخطأ عبر جوانب هذه الزجاجات مختلفًا تمامًا عن عددها في التجارب السابقة، وبالتالي فإن الشكوك المنهجية التي ستصاحب الطريقة ستكون مختلفة تمامًا أيضًا. ويحدونا أمل كبير في أن يؤدي هذا المزيج من تجارب القارورة والشعاع المستمرة مع هذا الجيل الجديد من القياسات إلى حل لغز عمر النيوترون في النهاية.