عادة ما تتواجد كاشفات النيوترينو في القشرة الأرضية ويصل وزنها إلى أطنان. أعلن مجموعة من الباحثين في مقال بمجلة SCIENCE أنهم تمكنوا من اكتشاف تأثير النيوترينو على المادة في جهاز مكتبي صغير
النيوترينوات هي واحدة من الجسيمات الأساسية التي تشكل الكون. ومع ذلك، بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من الجسيمات، فهي تتمتع بكتلة صغيرة جدًا، ولا تحتوي على شحنة كهربائية، وتتفاعل مع الجسيمات الأخرى باستخدام أضعف القوى في الطبيعة - القوة النووية الضعيفة والجاذبية. ولهذا السبب فإن الكشف عن أدلة اصطدامها الضوئي بالجسيمات الأخرى يعد عملية صعبة تتطلب أدوات ثقيلة موجودة في أعماق الأرض لحمايتها من التداخل.
ومع ذلك، نجح ثمانين باحثًا من جميع أنحاء العالم استخدموا منشأة أبحاث مصدر النيوترونات (SNS) الموجودة في مختبرات أوك ريدج الوطنية في اكتشاف النيوترينوات باستخدام طريقة مختلفة تمامًا. كجزء من تجربة COHERENT، تؤكد هذه النتائج التنبؤ الذي تم التوصل إليه قبل 43 عامًا وتفتح اتجاهات بحثية جديدة لجسيمات النيوترينو.
وفي مقال نشر في مجلة ساينس، وقع عليه 80 عالما من 19 مؤسسة في أربع دول (الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، إسبانيا، روسيا) أنهم تمكنوا من اكتشاف لقاءات جزيئات النيوترينو مع جزيئات أخرى باستخدام كاشف بحجم زجاجة مشروب، لأكثر من عام.
وفقًا لجيسون نيوبي، عالم الفيزياء في أوك ريدج والمنسق الفني لـ COHERENT، يقول: إن منشأة التجارب الفيزيائية الفريدة في مختبر أوك ريدج الوطني كانت أول من قام بقياس التشتت المتسق (المتماسك) بين النيوترينوات منخفضة الطاقة والنواة الذرية.
ينص النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات على أن النيوترينوات هي لبتونات، وهي جسيمات تصطدم بشكل ضعيف للغاية مع الجسيمات الأخرى. يتم إنشاؤها نتيجة للتحلل الإشعاعي - التفاعل النووي الذي يحرك النجوم، وكذلك في المستعرات الأعظم. يتنبأ نموذج الانفجار الكبير في علم الكونيات أيضًا بأن النيوترينوات ستكون أكثر الجسيمات وفرة في الكون لأنها نتيجة ثانوية لخلق الكون.
على هذا النحو، ركزت أبحاثهم على الفيزياء النظرية وعلم الكونيات. وفي دراسات سابقة تم اكتشاف جسيمات النيوترينو باستخدام أطنان من المواد ومن ثم الكشف عن التغيرات في موضع الجسيمات التي تنشأ نتيجة اصطدام النيوترينو بها.
ومن الأمثلة على ذلك مرصد سوبر كاميوكاندي في اليابان، وهو عبارة عن منشأة تحت الأرض تحتوي على 50 ألف طن من المياه عالية النقاء. منشأة أخرى هي SNOLAB – مرصد Sudbury للنيوترينو الواقع في منجم مهجور بالقرب من Sudbury، أونتاريو، كندا. يعتمد هذا الكاشف على الماء الثقيل. وبالطبع، ربما يكون أحد أشهرها هو IceCube - أكبر كاشف للنيوترينو في العالم، والذي يقع في محطة القطب الجنوبي آميندسن-سكوت في القارة القطبية الجنوبية - ويعتمد على جليد القطب الجنوبي للكشف عن تفاعلات النيوترينو. وفي جميع الأحوال، مرافق معزولة للغاية وتعتمد على معدات باهظة الثمن.
من ناحية أخرى، تعد تجربة COHERENT أصغر بكثير وأكثر اقتصادا بالمقارنة، فهي تزن 14.5 كجم فقط وتستهلك حجمًا أقل بكثير. تم تصميم التجربة للاستفادة من النظام الحالي لمسرع SNS، والذي ينتج قضبان النيوترونات المصممة لتفكيك ذرات الزئبق عن طريق قصفها بالبروتونات. وتنتج هذه العملية كميات هائلة من النيوترونات التي تستخدم في التجارب العلمية المختلفة. ومع ذلك، فإن هذه العملية تنتج أيضًا كمية كبيرة من النيوترينوات كمنتج ثانوي. وللاستفادة من ذلك، بدأ أعضاء فريق CoHERENT في تطوير تجربة النيوترينو المعروفة باسم "Neutrino Alley"، والتي تقع في ممر سفلي على بعد 20 مترا فقط من خزان الزئبق مع جدران خرسانية سميكة تفصل بينهما لتوفر للنظام درعا طبيعيا.
كما تم تجهيز الممر بخزانات مياه كبيرة لحجب النيوترينوات الإضافية، مثل تلك القادمة من الإشعاع الكوني. ولكن على عكس التجارب الأخرى، يبحث كاشف COHERENT عن علامات اصطدام النيوترينوات بأنوية ذرية أخرى. وللقيام بذلك، قام الفريق بتكييف الممر مع أجهزة الكشف وإضافة كاشف يعتمد على بلورات يوديد السيزيوم ويحتوي أيضًا على الصوديوم بهدف تضخيم الإشارات الضوئية الناتجة عن تفاعلات النيوترينو.
بفضل تجربتهم وتعقيد نظام SNS، تمكن الباحثون من تحديد أن النيوترينوات قادرة على الاقتران بالكواركات عن طريق تبادل بوزونات Z المحايدة. هذه العملية، المعروفة باسم تشتت نواة النيوترينو المرنة المتماسكة (CEvNS)، تم التنبؤ بها في عام 1973 من قبل البروفيسور دانييل فريدمان من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ولكن حتى الآن، لم يتمكن أي فريق تجربة أو بحث من تأكيد ذلك.
يشرح البروفيسور مارك كارلينر، أستاذ الفيزياء النظرية في كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة تل أبيب، في مقابلة مع موقع ساينتست أهمية الاكتشاف:
"عادةً ما يرى النيوترينو كل بروتون أو نيوترون داخل النواة بشكل فردي، لذلك كان الشيء الأكثر طبيعية هو الاعتقاد بأن فرصة تفاعل جسيم النيوترينو مع النواة هي مجموع فرص اصطدامه بكل البروتونات والنيوترونات الموجودة داخل النواة. نواة. لنأخذ على سبيل المثال ذرة الأكسجين التي تحتوي على ثمانية نيوترونات وثمانية بروتونات، فإن فرصة اصطدامها بالنواة هي مجموع فرص اصطدام كل مكون من مكوناتها على حدة، أي 16 مرة.
"لكن التفاعل بين جسيمات النيوترينو التي تعبر الذرة ونواة تلك الذرة هو عملية كمومية وفي ميكانيكا الكم جسيم مثل النيوترينو يتصرف أحيانا مثل الجسيم وأحيانا مثل الموجة. ما يحدد ما إذا كان يتصرف مثل الجسيم أو أكثر مثل الضوء مثل الموجة هو المعادل الكمي للطول الموجي. كلما زادت طاقة النيوترينو، كلما أصبح يتصرف كجسيم وأقل كموجة."
"في هذه التجربة، استخدموا النيوترينوات التي تكون طاقتها منخفضة نسبيًا بحيث يكون طول موجتها طويلًا نسبيًا ومن ثم يكون طول موجة واحدة من النيوترينوات بنفس حجم النواة بأكملها ومن ثم يرى "النيوترينو" النواة بأكملها كواحدة قطعة. ومن ثم تأتي قاعدة ميكانيكا الكم التي تنص على أن فرصة التفاعل تتصرف مثل مربع التداخل بين الموجة والجسيمات. مرة أخرى بالنسبة لمثال الأكسجين، فإن الفرصة ليست 16 مرة بل 16 مرة مربعة، أي 256 مرة. مما يعني أن فرصة اصطدام جسيم النيوترينو بالنواة تزداد بشكل كبير. وبما أن الفرصة تتزايد بشكل كبير، فلن تحتاج إلى مثل هذا الكاشف الكبير. يمكنك الاكتفاء بكاشف صغير بحجم الترمس. "
ومع ذلك، هذه العملية لها حدود. إذا أخذنا نيوترينو بطاقة صغيرة جدًا (وتعادل طولًا موجيًا كبيرًا جدًا)، فإن اصطداماته بالبروتونات والنيوترونات ستكون دقيقة جدًا لدرجة أننا لن نتمكن من اكتشافها. هناك بعض القيمة الذهبية وهي كبيرة بما يكفي من ناحية لجعل هذه النوى تتحرك ويمكن اكتشافها داخل الكاشف ومن ناحية أخرى تكون قيمة الطاقة صغيرة بما يكفي بحيث يكون الطول الموجي بحيث يرون النواة بأكملها كقطعة واحدة .
وبما أن الوزن الذري للسيزيوم واليود يزيد عن 50 (اليود 53، السيزيوم 55)، فمن الممكن الاكتفاء بكاشف أصغر بخمسين مرة من الكاشف الذي يبحث عن التفاعلات التي تتصرف بشكل خطي بالنسبة لعدد البروتونات والنيوترونات .
لا توجد فيزياء جديدة في هذه القصة لم تكن معروفة من قبل، ولكنها عرض جميل لقاعدة غير بديهية إلى حد ما في ميكانيكا الكم. يمكن أن يكون لهذا الاكتشاف عواقب عملية - على سبيل المثال، اكتشاف أنشطة غير قانونية في المجال النووي أو تسربات من محطات الطاقة النووية قبل انتشارها (النيوترينوات هي أحد الآثار الجانبية للتفاعلات الذرية AB)
ووفقا للبروفيسور كارلينر، فإن هذا التأثير مهم جدا في الفيزياء الفلكية. عندما ينفجر النجم على شكل مستعر أعظم، يخرج تدفق هائل من النيوترينوات من قلبه لوجود الطاقة التي تسمح بذلك، وبالتالي فإن تفاعل هذه النيوترينوات مع مادة النجم الموجودة في الوشاح أكبر بكثير منها يمكن أن يكون الأمر كذلك لو كانت نيوترينوات ذات طول موجي أقصر. بالكاد يتحرك كل نيوترينو فرديًا إلى هذه النواة، لكن تدفق النيوترينوات داخل المستعر الأعظم كبير جدًا لدرجة أنها تنفجر غلاف النجم، مثل قصص جاليفر التي تقول إن الكثير من الأقزام يمكنهم التغلب على عملاق.وفي الختام، يقول البروفيسور كارلينر: هذا هو عرض جميل ومثير للإعجاب لظاهرة تشكل أساس ميكانيكا الكم. حتى اليوم، لم يكن من الممكن رؤية النيوترينوات إلا في أجهزة كشف ضخمة تزن أطنانًا، وقد تمكنوا هذه المرة من قياسها باستخدام كاشف محمول.
كما ذكرنا سابقًا، اقترح البروفيسور فريدمان من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الفكرة بالفعل منذ أكثر من 40 عامًا، ولكن من أجل إجراء التجربة، كان مطلوبًا من بركاء - التفكير في طريقة لبناء المنشأة بطريقة تجعل حساسيتها تجعل من الممكن اكتشاف تأثير صغير.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 4
يا أبتاه، هذا موضوع رائع للغاية، لكني لست واضحًا بشأن الغرض منه. أعتقد أنهم لم يقرؤوا المقال بما فيه الكفاية وأرادوا زيادة التعرض له.
بالنسبة لي، من المؤسف أن يضيع مثل هذا الموضوع الرائع، لكن بعد أن قال "الشعب" كلمته، لا أرى أي فائدة من ذلك. وخاصة أولئك الذين يبحثون عن مواضيع جديدة يشعرون بخيبة أمل
لم أعود. أحضرتها مرة أخرى
ماذا سنكون؟ إعادة تدوير المقالات مرة أخرى؟ هذه الدورة ليست دائما مفيدة للبيئة...
من المؤكد أن الحد من كاشفات النيوترينو يمكن أن يؤدي إلى اكتشافات جديدة بعيدة المدى في الفيزياء، على سبيل المثال إذا تم إطلاق مثل هذه الكواشف إلى الفضاء، أو ربما حتى بمساعدة مثل هذه الكواشف يقومون ببناء تلسكوبات النيوترينو التي ستكتشف من أي اتجاه يأتي وماذا مصادره واكتشاف مصادر هذه الإشعاعات في الفضاء.