يا له من فصل، لدي مقال! – جائزة نوبل في الفيزياء للعلماء الذين كشفوا أسرار النيوترينوات

إن حل ألغاز النيوترينو قد يساعد العلماء على فهم الأسئلة الأساسية حول تاريخ الكون، مثل سبب وجود مادة في الكون أكثر بكثير مما تنبأت به النماذج التقليدية، ويساعدنا على فهم العمليات التي حدثت في الكون الشاب مباشرة بعد الكون الكبير. انفجار

في عام 1930، درس الفيزيائي النمساوي فولفغانغ باولي العملية المعروفة باسم اضمحلال بيتا - وهي عملية إشعاعية ينبعث فيها إلكترون (أو بوزيترون، جسيم مماثل له شحنة كهربائية موجبة) من نواة الذرة. قام باولي بفحص البيانات بعناية، وخلص إلى أن بعض طاقة الجسيمات اختفت ببساطة. وعندما لم يجد حلاً آخر، اضطر إلى افتراض أن هذه الطاقة تختفي مع انبعاث جسيم صغير آخر عند الاضمحلال. وبهذا لم يصدق باولي نفسه ذلك حقًا، بل إنه قال (على الأرجح) لزملائه: "لقد فعلت شيئًا فظيعًا - لقد تنبأت بوجود جسيم لا يمكن اكتشافه". وواصل عمل باولي عالم فيزياء مشهور آخر، هو إنريكو فيرمي، وطور نظرية تتضمن مثل هذا الجسيم الذي يحمل طاقة ويفتقر إلى شحنة كهربائية. وقد أعطى الإيطالي فيرمي الجسيم اسمًا له صوت في لغته - نيوترينو - ويعني نيوترونًا صغيرًا. ومع ذلك، فإن اكتشاف النيوترينو في الواقع كان مهمة شبه مستحيلة. ولا تتفاعل هذه الجسيمات مع أي قوة فيزيائية تقريبًا، وبالتالي فهي لا تتأثر بظواهر مثل الجاذبية أو المجالات المغناطيسية والكهربائية، كما أنها تمر بسهولة عبر المادة الصلبة. في الواقع، أثناء قراءتك لهذه السطور، تمر تريليونات من النيوترينوات عبر جسدك، دون أن تترك أي أثر. كما أنها تمر بسهولة عبر مادة أكثر صلابة، مثل الأرض. في الواقع، لالتقاط النيوترينوات بشكل فعال، يلزم وجود جدار من الرصاص يبلغ سمكه عدة سنوات ضوئية. لم يتم إثبات وجود النيوترينو علميا إلا في عام 1956، عندما قام عالما الفيزياء الأمريكيان، فريدريك رينز وكلايد كوان، بتطوير كاشف متطور كان قادرا على اكتشاف التفاعل الناتج عن تأثير الجسيم الصغير.

الجسيمات المفقودة

وفي العقود التالية، بنى العلماء أجهزة كشف أكثر تطورًا للنيوترينو. وتقع معظمها في أعماق الأرض (على سبيل المثال في المناجم المهجورة)، لتقليل فرصة امتصاص الجسيمات الأخرى فيها. وكانت هذه الكواشف قادرة على اكتشاف النيوترينوات بشكل جيد إلى حد معقول، ولكن بعد ذلك ظهر سؤال جديد. تصل إلينا الغالبية العظمى من جزيئات النيوترينو من الفضاء الخارجي، والعديد منها يأتي من الإشعاع الشمسي. ومع ذلك، عندما بدأ العلماء بإحصاء جزيئات النيوترينو القليلة التي تمكنوا من اكتشافها من اتجاه الشمس، ومحاولة استخدامها لحساب عدد النيوترينوات التي تصل إلينا فعليًا، وصلوا إلى حوالي ثلث الكمية التي ينبغي أن تأتي من الشمس. أين يذهب ثلثا النيوترينوات؟ وكانت إحدى الفرضيات هي أن النيوترينوات لا تختفي، بل تغير هويتها. وفقًا للنموذج المقبول حاليًا لبنية المادة (النموذج القياسي، كما يسميه الفيزيائيون)، هناك ثلاثة أنواع مختلفة من النيوترينوات - نيوترينو الإلكترون، ونيوترينو تاو (تاو)، ونيوترينو ميون (ميون). تنتج الشمس إلكترون نيوترينو فقط، كما أنه يدوم لفترة أطول من الاثنين الآخرين، اللذين يتحللان بمعدل مرتفع جدًا. وإذا تبين أن النيوترينو القادم من الشمس يتحول في طريقه إلى الأنواع الأخرى من الجسيمات، فقد يكون هذا هو حل لغز الجسيمات المفقودة.

في عمق الأرض

إذا كان اكتشاف النيوترينوات مهمة معقدة، فإن التمييز بين الأنواع المختلفة للنيوترينوات يعد مهمة أكبر. في عام 1996، بدأ كاشف Super-Kamiokande العمل في اليابان - في منجم قديم للزنك جنوب غرب طوكيو. يوجد على بعد كيلومتر واحد من سطح الأرض خزان ضخم يبلغ طوله وعرضه 40 م، ويحتوي على 50,000 ألف طن من الماء المقطر بدرجة تطهير تكاد تكون مثالية. وتمر معظم جسيمات النيوترينو عبر الخزان دون أن تترك أثراً، ولكن بعضها يصطدم بالجسيمات، وفي هذه التصادمات ينتج ضوء صغير جداً. هناك 11,000 كاشف حساس للغاية حول الخزان قادر على التقاط ومضات الضوء الصغيرة هذه، وتمييز ما إذا كان نيوترينو إلكترون أو نيوترينو ميون (لا يستطيع الكاشف التمييز بين النوع الثالث، تاو) ومن أي اتجاه يأتي. ولا تأتي جسيمات النيوترينو من الشمس وحدها، بل تنشأ في الغلاف الجوي نتيجة للإشعاع الكوني القادم من كل اتجاه في الفضاء. ولذلك، توقع الباحثون أن تصل جزيئات النيوترينو أيضًا إلى الكاشف من جميع الاتجاهات، سواء من الأعلى أو من الأسفل، بعد مرورها عبر الأرض بأكملها. وتفاجأ الباحثون عندما اكتشفوا بهذا أن عدد نيوترينوات الميونات القادمة من الأعلى أعلى بكثير من تلك القادمة من الأسفل. وافترضوا أنه في الفارق الزمني القصير اللازم لمرور النيوترينوات عبر الأرض، أصبحت العديد من الجسيمات من النوع الثالث - نيوترينوات تاو - والتي، كما ذكرنا، لم يتم اكتشافها في هذه المنشأة.

وفي الوقت نفسه في كندا

بعد ثلاث سنوات من بدء عمل الكاشف الياباني، في عام 1999 بدأ كاشف آخر متطور في العمل في سودبوري، كندا. ويتكون هذا الكاشف على عمق حوالي كيلومترين من خزان كروي يحتوي على 1,000 طن من الماء الثقيل. هذا هو الماء الذي تحتوي ذرة هيدروجينه على نيوترون (في الهيدروجين العادي لا توجد نيوترونات في النواة)، وكثرة النيوترونات تزيد بشكل كبير من فرصة اصطدام النيوترينوات بها. يتم إنشاء نوعين من الاصطدامات في الخزان - في أحدهما يتم اكتشاف نيوترينوات الإلكترون فقط، وفي الآخر - يتم اكتشاف جميع أنواع النيوترينوات الثلاثة. وسمح ذلك للباحثين بالتركيز على النيوترينوات القادمة من اتجاه الشمس، ومقارنة عدد الاصطدامات بين النوعين. وعلى الرغم من أن الكاشف لم يكتشف سوى عدد قليل من 60 مليار نيوترينو تمر عبر كل سنتيمتر منه في كل ثانية، إلا أن البيانات أظهرت بوضوح أن ثلث النيوترينوات القادمة من الشمس هي نيوترينوات إلكترونية، والثلثان الآخران من النيوترينوات. نوع الميون وتاو. وكان الاستنتاج هو أن إلكترون النيوترينو المنبعث من الشمس يتغير شكله في الطريق ويتحول إلى النيوترينوات الأخرى.

ليس فقط الطاقة

على الرغم من أنه تم التنبؤ بوجود النيوترينو في عام 1930، وتم إثباته بعد 26 عامًا، إلا أن العلماء لم يتمكنوا من حل مشكلة رئيسية واحدة: هل يمتلك النيوترينو كتلة، أم أنه جسيم ذو طاقة فقط. وكان الاعتقاد السائد أن النيوترينو مجرد طاقة، تشبه جسيمات الضوء (الفوتونات)، لكن نتائج الكاشف الكندي والكاشف الياباني فجرت البطاقات. لا يمكن تفسير تغير الشكل (من حيث فيزياء الكم) إلا إذا كان لجسيم النيوترينو كتلة صغيرة خاصة به - وهو الاكتشاف الذي غير كل ما كان يعتقده العلماء من قبل.
العلماء الذين سيوزعون الجائزة هم مدراء أجهزة الكشف التي تم فيها إجراء الملاحظات. آرثر (آرت) بروس ماكدونالد (ماكدونالد)، ولد عام 1943 في نوفا سكوتيا في شرق كندا، حيث حصل على درجتي البكالوريوس والماجستير، قبل أن يلتحق بمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لدراسة الدكتوراه. وبعد أن أمضى بضع سنوات في مركز للأبحاث النووية في كندا، حصل على درجة الأستاذية في جامعة برينستون المرموقة، لكنه عاد في عام 1989 إلى وطنه كندا، وحصل على منصب في جامعة كوينز في كينغستون، وبحكم منصبه تمكن من المجموعة البحثية في كاشف النيوترينو في سدبوري، على مسافة ليست بعيدة عن كينغستون.
ولد تاكاكي كاجيتا عام 1959 في هيجاشيمتسويمي بوسط اليابان. في سن السابعة والعشرين، كان قد حصل بالفعل على درجة الدكتوراه في الفيزياء من جامعة طوكيو، وتم تعيينه عضوًا في هيئة التدريس في معهد أبحاث الإشعاع الكوني التابع للجامعة. قاد اكتشاف النيوترينوات "المفقودة"، وبعد ذلك، كرئيس لفريق البحث في كاشف كاميوكاندا، كان مسؤولاً عن اكتشاف تغير شكل النيوترينوات الناشئة عن الإشعاع الكوني.

كان لاكتشاف كتلة النيوترينو عواقب وخيمة على النموذج الساكن للمادة، والذي يقوم على افتراض أن النيوترينوات ليس لها كتلة، بل طاقة فقط. وتلزم النتائج الفيزيائيين بتكييف النموذج القياسي مع البيانات الجديدة، والإجابة على العديد من الأسئلة التي تطرح بشأن بنية المادة. ومن بين الأسئلة التي لا تزال مفتوحة: ما هي كتلة النيوترينو فعليًا؟ هل هناك أنواع أخرى من النيوترينوات؟ وما هي خصائصهم؟ علاوة على ذلك، يعتقد العلماء أن اكتشاف أن للنيوترينوات كتلة يعني أن هناك المزيد من الجسيمات دون الذرية التي لا نعرف عنها شيئًا، والمزيد من القوى المؤثرة عليها. فيما يتعلق بالصورة الأكبر، فإن حل ألغاز النيوترينو قد يساعد العلماء على فهم الأسئلة الأساسية حول تاريخ الكون، مثل سبب وجود كمية أكبر بكثير من المادة في الكون مما تنبأت به النماذج التقليدية، ويساعدنا على فهم العمليات التي تحدث في الكون. حدثت في الكون الفتي مباشرة بعد الانفجار الأعظم.

ويمكن استخدام أجهزة كشف النيوترينو المتطورة بشكل خاص، مثل تلك التي تعمل في أعماق الغطاء الجليدي في القطب الجنوبي، ليس فقط في دراسة الجسيمات نفسها، ولكن كنوع من التلسكوبات المتطورة، القادرة على الإجابة على الأسئلة التي لا يمكن حلها بمساعدة التلسكوبات البصرية.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• فاز باحثان اكتشفا بشكل منفصل أن للنيوترينوات كتلة بجائزة نوبل في الفيزياء
• العلم على الجليد
• منارات الأشباح للفيزياء الجديدة
• لغز المادة المظلمة