تغطية شاملة

لغز النيوترينو

إن أكبر تجربة في العالم لدراسة هذه الجسيمات الغامضة قد تمهد الطريق لفيزياء جديدة

بناء نموذج أولي لكاشف مشروع DUNE. المصدر: مختبر فيرمي الوطني للتسريع.
بناء نموذج أولي لكاشف مشروع DUNE. مصدر: معمل فرمي الوطني للمسرعات.

بقلم كلارا موسكوفيتش، تم نشر المقال بموافقة مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل وشبكة أورت إسرائيل 12.11.2017

  • قد تكون النيوترينوات هي الجسيمات الأولية الأقل فهمًا من بين جميع الجسيمات المعروفة. هذه النيوترينوات الضعيفة وغير المشحونة بالكاد تتفاعل مع الجسيمات الأخرى، وكان التنبؤ العلمي سابقًا هو أنها عديمة الكتلة. يعرف الفيزيائيون الآن أن لديهم كمية صغيرة من الكتلة، لكن السبب وراء ذلك يظل لغزًا.
  • سيرسل مشروع طموح قيد الإنشاء، تجربة النيوترينو العميقة (DUNE)، شعاعًا من النيوترينوات لمسافة 1,300 كيلومتر من إلينوي إلى داكوتا الجنوبية.
  • ومن المتوقع خلال رحلتها أن تغير جزيئات النيوترينو شكلها أو نوعها أو نكهتها من واحدة إلى أخرى، وهي ظاهرة تعرف باسم تذبذب النيوترينو. ومن خلال دراسة هذا السلوك الغريب، يأمل الفيزيائيون في تسليط الضوء على الأصل الجماعي لجسيمات النيوترينو وغيرها من الألغاز.

أقف على مسار مرتفع داخل كهف ضخم، مليء بالمعدات الصناعية، وقد قيل لي أن مليارات من جزيئات النيوترينو تتطاير عبر كل سنتيمتر مربع من جسدي في كل ثانية. ألوح بذراعي كما لو كنت أريد تكثيف الإحساس، لكن بالطبع لا أستطيع أن أشعر بأي شيء. هذه الجسيمات الشبحية، التي تكاد تكون عديمة الكتلة وتنتقل بسرعة قريبة من سرعة الضوء، تجتاز الفضاء الفارغ بين ذراتي دون أن تترك أي أثر. كما أنهم يتحركون دون عوائق تقريبًا عبر الصندوق المعدني الضخم الذي يملأ معظم مساحة الكهف. ومع ذلك، عدة مرات في اليوم، سيصطدم نيوترينو واحد بذرة داخل هذا الجهاز بحجم الحافلة، مما يؤدي إلى إطلاق جسيمات مشحونة تترك وراءها مسارات ضوئية يمكن للعلماء رؤيتها. ويأمل الفيزيائيون أن تقودهم هذه الآثار إلى أرض مجهولة.

هذه المنشأة هي جزء من تجربة ظهور الجسيمات النيوترينو الإلكتروني إلى محور شعاع جسيمات النيوترينو في الحاقن الرئيسي بيرميليفمختبر فيرمي الوطني للتسريع في باتافيا، إلينوي (التجربة نوفانومي ظهور الإلكترون والنيوترينو خارج المحور). ويوجد كاشف مماثل، لكنه أكبر، على بعد 800 كيلومتر، في ولاية مينيسوتا، حيث يلتقط جزيئات النيوترينو التي مرت عبر ذلك الكاشف، وعبر كل الأرض التي تفصل بينهما. مشروع NOυA، الذي يعمل منذ عام 2014، هو تجربة النيوترينو التي تغطي مسافة هي الأكبر في العالم، لكنه يضع الأسس لشيء أكبر بكثير - "تجربة النيوترينو في أعماق الأرض" (DUNE - تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض). ستبدأ هذه التجربة في بريميل، حيث سيقوم مسرع الجسيمات بتسريع البروتونات وضربها في الجرافيت لإنشاء شعاع من جسيمات النيوترينو. ستطير هذه الجسيمات بعد ذلك عبر 1,300 كيلومتر من التربة، من إلينوي إلى داكوتا الجنوبية. إن مسافة الـ 500 كيلومتر الإضافية التي سيتعين عليهم قطعها ستزيد من احتمالية إظهار جزيئات النيوترينو بعضًا من سلوكها الغريب الفريد.

DUNE هي تجربة فيزياء الجسيمات الأكثر طموحًا التي تم التخطيط لها على الأراضي الأمريكية منذ مشروع مسرع التوصيل الفائق (SSC)، وهو مشروع من التسعينيات لم يؤت ثماره في النهاية. وبحسب الخطة، فإن مشروع DUNE، الذي تبلغ تكلفته 90 مليار دولار، سيبدأ العمل في العقد المقبل ويجب أن يعمل لمدة 20 عامًا على الأقل. ولكن الأمر لا يقتصر على الأمريكيين وحدهم المتحمسين لهذا المشروع، إذ يشارك في المشروع 1.5 باحث من 20 دولة، وهناك المزيد في الطريق. وستكون هذه التجربة أكبر تجربة للنيوترينو في العالم. وستكون هذه أيضًا المرة الأولى التي يستثمر فيها CERN، المختبر الرئيسي في أوروبا لفيزياء الجسيمات، في مشروع خارج القارة. وكما اكتشف مصادم الهادرونات الكبير (LHC) بوزون هيغز الشهير في عام 1,000، وكشف عن وجود حقل غير مرئي يملأ الكون، يأمل العلماء أن يتمكن DUNE من استخدام النيوترينوات لفهم الكون على مستوى أعمق. يقول مارك طومسون، أحد المتحدثين في مشروع DUNE، وهو رجل إنجليزي نشط بجامعة كامبريدج يساعد في الترويج للمشروع: "نريد أن نفعل للنيوترينوات ما فعله مصادم الهادرونات الكبير مع هيجز". "نعتقد أننا على حافة الثورة العظيمة القادمة في فيزياء الجسيمات."

تثير النيوترينوات مثل هذه الآمال الطنانة لأنها أول الجسيمات التي تفلت مما يسمى "النموذج القياسي"، وهو أفضل وصف لدى الفيزيائيين للجسيمات الأساسية في الطبيعة والقوانين التي تحكمها. النموذج القياسي، الذي يشرح سلوك كل الجسيمات الأخرى المعروفة بدقة مذهلة، يتنبأ بأن النيوترينوات ليس لها كتلة. وهذا بالفعل ما اعتقده العلماء حتى ما يقرب من 15 عامًا مضت، عندما كشفت التجارب التي أجريت في كندا واليابان أن جسيمات النيوترينو لها في الواقع كمية صغيرة جدًا من الكتلة. ومع ذلك، يبدو أن جسيمات النيوترينو لا تحصل على كتلتها كما تحصل عليها الجسيمات الأخرى. وبدلاً من ذلك، يبدو أن وزنها يأتي من خلال ما يسمى بالفيزياء الجديدة - بعض الجسيمات، أو بعض القوى، أو بعض الظواهر التي لم يكتشفها العلماء بعد.

على مدى السنوات القليلة الماضية، بدت النيوترينوات بشكل متزايد وكأنها جسر واعد لمستقبل الفيزياء، حيث باءت المحاولات الأخرى للوصول إلى هذه الجبهة بالفشل. حتى الآن، فشل المصادم LHC في إنتاج أي جسيم لم يتنبأ به النموذج القياسي. إن التجارب التي تهدف إلى الكشف عن الجسيمات التي تشكل المادة المظلمة، تلك المادة غير المرئية التي تشكل المكون الرئيسي للكون، قد جاءت خالية الوفاض أيضًا. يقول ستيفن بارك، عالم فيزياء النيوترينو من شركة بيرميل: "نحن نعلم أن النموذج القياسي غير مكتمل، وهناك أشياء أخرى تحدث، لكننا لا نعرف ما هي". "هناك أشخاص اختاروا أن يعهدوا بمصير حياتهم المهنية إلى أيدي المصادم LHC. ويراهن آخرون على جسيمات النيوترينو.

لغزا ثقيلا

في اليوم التالي لزيارتي إلى كهف نوا، وجدت نفسي جالسًا في مكتب فارغ في الطابق الثالث من قاعة راثبورن-ويلسون، المبنى الرئيسي لمختبر فيرميلاب. يقول بارك، الذي يعمل هنا جنبًا إلى جنب مع المنظر أندريه دي جوبيا من جامعة نورث وسترن، إنه اختار هذه الغرفة لاجتماعنا لأنها كانت في السابق مكتب ليون ليدرمان، المدير السابق لبيرميليف، الذي تقاعد وطوّر طريقة لإنشاء شعاع من النيوترينو. الجسيمات باستخدام مسرع الجسيمات. كشف هذا العمل، الذي وضع أسس مشروع DUNE، عن وجود أحد الأنواع الثلاثة المعروفة للنيوترينوات في عام 1962، وحصل ليدرمان لاحقًا على جائزة نوبل. يعترف بارك ودي جوبيا أنه على الرغم من أن هذا المجال قد تقدم بشكل لا يمكن قياسه منذ أيام ليدرمان، إلا أن العلماء ما زالوا في حيرة من أمرهم. يقول بارك: "الأمر المتعلق بالنيوترينوات هو أنه كلما زاد فهمنا لها، زادت الأسئلة المطروحة". "إنها جزيئات شاملة للغاية."

انجذب بارك، المولود في نيوزيلندا، إلى أبحاث النيوترينو بعد وقت قصير من وصوله إلى الولايات المتحدة للحصول على درجات علمية متقدمة في السبعينيات. وفي العقود التالية، فقدت جسيمات النيوترينو الاسم الذي حصلت عليه كجسيمات مملة وعديمة الكتلة. ويقول: "كانت هناك ثورات، الواحدة تلو الأخرى". والسؤال هو: هل هناك ثورات أخرى تنتظرنا في المستقبل؟ هو ودي جوبيا على استعداد للمراهنة على ذلك. يقول دي جوبيا: "لقد بدأنا للتو في قياس خصائص جسيمات النيوترينو عند مستوى يقترب من القياسات التي تم إجراؤها على الجسيمات الأخرى". "نحن لا نعرف كتلتها، يمكن أن يكون هناك [أنواع جديدة من النيوترينوات]، وقد تتحدث جزيئات النيوترينو مع جزيئات لا تتحدث مع أي شخص آخر."

سيركز برنامج DUNE على الميل الغريب لجزيئات النيوترينو لتبديل هوياتها، وهي عملية تسمى التذبذب. هذه الجسيمات لها ثلاثة أنواع من الهويات، تسمى "النكهات": نيوترينوات الإلكترون، والنيوترينوات الأيونية، والنيوترينوات التوتونية. يمكن للباحثين التفريق بينهما لأنه عندما يتفاعلون مع الذرات الموجودة داخل أجهزة الكشف، فإنهم ينتجون منتجات نهائية مختلفة - نيوترينو الإلكترون ينتج إلكترونات، ونيوترينو الميون ينتج ميونات، وينتج نيوترينو تاو جسيمات تاو (الميون والتاو هما جزيئات الإلكترون). أبناء عمومة أثقل). على الرغم من أن الأمر يبدو غريبًا، إلا أن هذه النكهات الثلاثة قابلة للتبديل. قد يغادر جسيم واحد فيرميلوف كنيوترينو أيوني ويصل إلى داكوتا الجنوبية كنيوترينو إلكتروني. أو بالأحرى كالنيوترينوات والتاوني. وبقدر ما يعرف الفيزيائيون، فإن النيوترينوات هي الجسيمات الوحيدة التي تظهر هذا السلوك الغريب لتحويل الهوية.

عندما اكتشف الفيزيائيون ميل جسيمات النيوترينو إلى تغيير شكلها قبل عقد ونصف من الزمن، تم حل اللغز العنيد. في الستينيات، عندما بدأ العلماء في دراسة جسيمات النيوترينو المتدفقة من الشمس، قاموا بقياس حوالي ثلث الناتج الذي تنبأت به النظرية فقط. وقد أوضحت ظاهرة التذبذب السبب: فقد تغير الثلثان المفقودان من نيوترينوات الإلكترون إلى نيوترينوات أيونية أو نيوترينوات صفراء في طريقها إلى الأرض. ومع ذلك، كانت الأجهزة تهدف إلى رؤية جزيئات النيوترينو الإلكترونية فقط. وعلى الرغم من أن هذا الاكتشاف نجح في حل هذه المشكلة، والتي كانت تسمى مشكلة النيوترينو الشمسي، إلا أنه كشف عن لغز جديد: وفقًا للنظرية، فإن الطريقة الوحيدة التي يمكن لجزيئات النيوترينو من خلالها تبديل نكهاتها هي أن تكون لها كتلة - وهو أمر لم يتنبأ به النموذج القياسي. .

السبب الذي يجعل العلماء يعرفون أن النيوترينوات يجب أن تكون لها كتلة هو نتيجة محيرة لنظرية الكم. لكي تتمكن النيوترينوات من تبديل نكهاتها، يجب أن تتكون كل نكهة من عدة "حالات كتلة" مختلفة. قد يكون الأمر غريبًا، لكن يبدو أنه لا توجد كتلة مميزة لأي نكهة من النيوترينو؛ بدلا من ذلك، النكهات عبارة عن خليط من ثلاث كتل محتملة. (إذا كان هذا يبدو غريبا، فقم بإلقاء اللوم على ميكانيكا الكم، التي تخبرنا أن الجسيمات ليست كيانات مطلقة ولكنها سدم غير مؤكدة من الاحتمالات.) عندما يطير النيوترينو عبر الفضاء، تتحرك الجسيمات المرتبطة بكل حالة كتلة بمعدلات مختلفة قليلاً عن بعضها البعض، كما هو الحال مع بعضها البعض. نتيجة للنظرية النسبية الخاصة لأينشتاين والتي نصت على أن سرعة الجسيم الذي يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء تعتمد على كتلته. التفسير هو أنه مع مرور الوقت، فإن هذا الاختلاف هو الذي يتسبب في تغير خليط الكتلة في كل نيوترينو، بحيث يمكن للجسيم الذي يبدأ، على سبيل المثال، نيوترينو مويوني، والذي تم تحديده بواسطة خليط كتلته الدقيق، أن يصبح نيوترينو إلكترون أو النيوترينو التاووني.

ستبدأ "تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض" في فيرميلاب، حيث سيقوم مسرع الجسيمات بتسريع البروتونات وضربها في الجرافيت لإنشاء شعاع من جزيئات النيوترينو. ستطير هذه الجسيمات بعد ذلك عبر 1,300 كيلومتر من التربة، من إلينوي إلى داكوتا الجنوبية. إن مسافة الـ 500 كيلومتر الإضافية التي سيتعين عليهم قطعها ستزيد من احتمالية إظهار جزيئات النيوترينو بعضًا من سلوكها الغريب الفريد. الشكل: فيرميلاب.
ستبدأ "تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض" في فيرميلاب، حيث سيقوم مسرع الجسيمات بتسريع البروتونات وضربها في الجرافيت لإنشاء شعاع من جزيئات النيوترينو. ستطير هذه الجسيمات بعد ذلك عبر 1,300 كيلومتر من التربة، من إلينوي إلى داكوتا الجنوبية. إن مسافة الـ 500 كيلومتر الإضافية التي سيتعين عليهم قطعها ستزيد من احتمالية إظهار جزيئات النيوترينو بعضًا من سلوكها الغريب الفريد. توضيح: فيرميلاب / تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض.

لا يزال العلماء لا يعرفون بالضبط حالات كتلة النيوترينو، لكنهم يعرفون فقط أنها مختلفة وأن قيمتها ليست صفرًا. ومع ذلك، من خلال حساب عدد جزيئات النيوترينو التي تتأرجح أثناء الرحلة من إلينوي إلى داكوتا الجنوبية، سيحاول DUNE تحديد كيفية ارتباط حالات النيوترينو المختلفة ببعضها البعض. وفقًا للنظرية، من الممكن أن يكون ترتيب كتل النيوترينو الثلاثة المحتملة هو أن اثنتان منها صغيرتان جدًا وواحدة كبيرة، أو بدلاً من ذلك، اثنتان من الكتل كبيرة وواحدة أصغر. يُسمى الخيار الأول من الخيارين بالتسلسل الهرمي العادي، بينما يُسمى التنظيم الثاني بالتسلسل الهرمي العكسي. يجب أن تكون DUNE قادرة على التمييز بين التسلسلين الهرميين لأن التفسير هو أن المواد الموجودة داخل الأرض يمكن أن تؤثر على تذبذبات النيوترينو؛ إذا كان التسلسل الهرمي الطبيعي صحيحا، فإن العلاقات بين الأذواق الثلاثة التي يتوقع العلماء اكتشافها يجب أن تكون مختلفة عما إذا كان التسلسل الهرمي العكسي صحيحا. يقول طومسون: "من خلال إطلاق النيوترينوات عبر المادة، يمكنك تحديد هذا الاختلاف بسهولة شديدة، وكلما أطلقت النيوترينوات لمسافة أبعد، أصبحت الإشارة أكثر وضوحًا". "إنها قطعة مادية ستكسرها DUNE بالتأكيد في غضون سنوات قليلة."

المصدر الشامل

بمجرد أن عرف الباحثون الترتيب الكتلي لجسيمات النيوترينو، يمكنهم التعامل مع السؤال الأكبر - كيف تكتسب جسيمات النيوترينو كتلتها. معظم الجسيمات، مثل الكواركات التي تشكل البروتونات والنيوترونات داخل الذرات، تكتسب كتلتها من خلال التفاعل مع مجال هيغز؛ ويرتبط هذا الحقل، الذي يملأ كل الفضاء، ببوزون هيغز المكتشف في مصادم الهادرونات الكبير (LHC). ومع ذلك، فإن آلية هيغز تعمل فقط على الجسيمات التي تظهر في كلا الإصدارين الأيمن والأيسر، وهو فرق أساسي يتعلق باتجاه دورانها بالنسبة لاتجاه حركتها. حتى الآن، لم يتم رصد جسيمات النيوترينو إلا باليد اليسرى. إذا اكتسبت كتلة من مجال هيغز، فيجب أن تكون النيوترينوات اليمنى موجودة أيضًا. ومع ذلك، لم يتم ملاحظة جسيمات النيوترينو اليمنى مطلقًا، وهذا يزيد من احتمال أنها إذا كانت حقيقية، فإنها لا تتفاعل مع أي من القوى والجسيمات في الطبيعة - ومثل هذه الميزة تبدو غير قابلة للتصديق لبعض علماء الفيزياء. علاوة على ذلك، إذا كان مجال هيغز يؤثر على النيوترينوات، فإن العلماء يتوقعون أن يكون لها كتل مماثلة لتلك الخاصة بالجسيمات المعروفة الأخرى. ومع ذلك، فإن جسيمات النيوترينو خفيفة بشكل لا يصدق. ومهما كانت حالات كتلتها، فهي أصغر من كتلة الإلكترون بمئة ألف مرة، وهي نسبة ضئيلة على أية حال. يقول نايجل لوكير، مدير مختبر فيرمي: "قلة قليلة من الناس يعتقدون أن آلية هيغز هي التي تعطي كتلة لجزيئات النيوترينو". "من الواضح أن هناك آلية مختلفة تمامًا، وبالتالي يجب أن تكون هناك جزيئات أخرى تشارك في كيفية حدوث ذلك."

أحد الاحتمالات، التي تثير اهتمام الفيزيائيين، هو أن جسيمات النيوترينو قد تكون جسيمات ميورنا - أي جسيمات هي جسيمات مضادة لنفسها. (وهذا ممكن لأن جسيمات النيوترينو لا تحتوي على شحنة كهربائية، والفرق في الشحنة هو ما يميز الجسيم عن نظيره المضاد للجسيم). ويعتقد المنظرون أن جسيمات ميورنا لديها طريقة لاكتساب الكتلة دون إشراك مجال هيغز - ربما من خلال التفاعلات مع جسيمات ميورنا. مجال جديد لم يتم اكتشافه بعد. تتطلب الرياضيات وراء هذا السيناريو أيضًا وجود مجموعة ثقيلة جدًا من جسيمات النيوترينو التي لم يتم اكتشافها بعد؛ سيكون لهذه الجسيمات كتلة تصل إلى 1012 مرة أكبر من كتلة بعض أثقل الجسيمات المعروفة، بمعنى أنها ستوازن جزيئات النيوترينو الخفيفة. إن احتمال اكتشاف مقياس جديد للكتل يصنع العجائب لعلماء فيزياء الجسيمات. يقول دي جوبيا: "تاريخيًا، كنا نتقدم دائمًا من خلال دراسة الطبيعة على مستويات مختلفة". وإذا كان هناك مجال جديد يعطي كتلة لجزيئات النيوترينو، فقد يؤثر ذلك على الجسيمات الأخرى أيضًا. "إذا كانت الطبيعة تعرف كيف تفعل ذلك بالنيوترينوات، فأين ستفعل ذلك؟" يتكهن لوكير. "يتساءل المنظرون: هل يمكن أن تكون المادة المظلمة هي كتلة ميورنا؟"

لن يقوم DUNE باختبار ما إذا كانت النيوترينوات هي جسيمات ميورنا بشكل مباشر، ولكن من خلال قياس التسلسل الهرمي للكتلة، فإنه سيساعد العلماء على تفسير نتائج التجارب التي تجرى حاليًا في اليابان وأوروبا والولايات المتحدة وأماكن أخرى. بالإضافة إلى ذلك، من المفترض أن يساعد DUNE في تسليط الضوء على مصدر كتلة النيوترينو من خلال توفير تفاصيل حول كيفية انتقال جزيئات النيوترينو من مجموعة كتلة إلى أخرى أثناء التذبذب. يقول دي جوبيا: "نريد إجراء أفضل تجربة ممكنة لتذبذب النيوترينو، لأن هذا هو بالضبط المكان الذي نعلم أننا سنتعلم فيه شيئًا عن كتل جسيمات النيوترينو".

المادة المضادة المادة المضادة

إن النظرة المتعمقة إلى الخصائص الغريبة لهذه الجسيمات الصغيرة يمكن أن تساعد أيضًا في حل لغز كوني: لماذا يتكون الكون من المادة وليس المادة المضادة.

يستخدم حاقن فيرميلاب الرئيسي، وهو عبارة عن معجل جسيمات حلقي تحت الأرض، نبضات من البروتونات لإنشاء حزم نيوترينو ليتم دراستها من خلال تجربة DUNE. بإذن من وزارة الطاقة وفيرميلاب.
يستخدم حاقن فيرميلاب الرئيسي، وهو عبارة عن معجل جسيمات حلقي تحت الأرض، نبضات من البروتونات لإنشاء حزم نيوترينو ليتم دراستها من خلال تجربة DUNE. بإذن من وزارة الطاقة وفيرميلاب.

ووفقا لتوقعات علماء الكونيات، كان من المفترض أن تكون المادة والمادة المضادة موجودتين بكميات متساوية بعد الانفجار الكبير. بطريقة ما، بعد أن تتأين معظم المادة مع معظم المادة المضادة (لأن هذين الاثنين لا يمكن أن يتلامسا مع بعضهما البعض دون التسبب في الفناء المتبادل)، يبقى توازن طفيف في المادة. وهذه المادة هي التي تشكل المجرات والنجوم والكواكب التي نراها اليوم.

لتفسير عدم التماثل هذا، يبحث العلماء عن نوع من الجسيمات التي تتصرف بشكل مختلف عن نظيرتها من المادة المضادة، وهناك العديد من القرائن، بما في ذلك العلامات التي لوحظت في تجارب أخرى، والتي تشير إلى جسيمات النيوترينو. ستبحث DUNE عن علامات CP (انتهاك تكافؤ الشحنة) - وبعبارة أخرى، دليل على أن النيوترينوات المضادة تتأرجح من نكهة إلى نكهة بمعدل مختلف عن النيوترينوات. على سبيل المثال، تثير النظرية احتمال أن DUNE قد ترى نيوترينوات أيون المادة المضادة تتحول إلى إلكترون النيوترينوات بمعدل يتراوح بين نصف المعدل الذي تخضع فيه النيوترينوات المادية لهذا التغيير إلى ضعف المعدل - وهو فرق يسميه بارك "هائلًا" والذي قد يفسر سبب فوز المادة في تلك المعركة البدائية. نفس الشيء أساسًا، أي إذا كانت النيوترينوات هي جسيمات ماجورانا، في هذه الحالة، فإن الشيء الوحيد الذي يمكن أن يميز النيوترينوات عن النيوترينوات المضادة هو ما إذا كانت تستخدم اليد اليمنى أو اليسرى، فيما يتعلق باتجاه دورانها. ستكون النيوترينوات، التي تستخدم اليد اليسرى، قادرة على التصرف بشكل مختلف عن جزيئات نيوترينو المادة المضادة، التي ستكون ذات اليد اليمنى.)

سيكون DUNE أيضًا قادرًا على تحديد ما إذا كانت جسيمات النيوترينو لها ثلاث نكهات فقط أو ما إذا كان هناك العديد من النكهات الأخرى التي تنتظر اكتشافها، كما يتوقع بعض المنظرين. وستكون نكهات النيوترينو الإضافية من النوع المعروف باسم النيوترينوات العقيمة، لأنها لا تتفاعل على الإطلاق مع المادة العادية. أظهرت التجارب التي أجريت في الماضي، مثل كاشف النيوترينو السائل في مختبر لوس ألاموس الوطني وتجربة MiniBooNE (تجربة النيوترينو المعزز الصغير) في بيرميلاب، علامات غير حاسمة على أن نوع آخر من النيوترينو يخلق اضطرابات في التذبذبات، وهذا يشير إلى أن هناك هي جسيمات نيوترينو عقيمة وأنها أثقل من الأنواع الثلاثة العادية للنيوترينوات. ويأمل الباحثون أن يؤكد DUNE هذا الاحتمال أو يدحضه. يقول طومسون: "يمكن للنيوترينوات العقيمة أن تغير نمط التذبذبات التي نراها في DUNE إلى حد كبير".

الرهان على الفوز بالجائزة الكبرى كله

للتعامل مع كل هذه الألغاز، صمم العلماء DUNE لجمع المزيد من البيانات، مع مستويات دقة أعلى بكثير، من أي تجربة نيوترينو جاءت قبلها. وسيستخدمون في هذا المشروع شعاع نيوترينو تبلغ قوته حوالي ضعف أقوى تيار نيوترينو موجود اليوم ذو طاقة عالية، وسيقصف هذا الشعاع بكاشف أكبر 100 مرة من أكبر كاشف من نوعه اليوم.

سيكون قلب هذه التجربة هو الكاشف عن بعد، والذي سيكون موجودًا في منشأة سانفورد للأبحاث تحت الأرض في بلدة ليد القريبة بولاية ساوث داكوتا. ستتألف هذه الآلة من أربع وحدات كاشفة، كل منها بطول حوض السباحة الأوليمبي ولكن أعمق بستة أضعاف، وسيتم ملؤها بـ 17,000 طن من الأرجون السائل. عندما يصطدم جسيم النيوترينو بنواة ذرة الأرجون، سواء في الكاشف القريب أو في الكاشف البعيد، فإنه سيتحول - حسب ذوقه - إلى إلكترون أو ميون أو تاو. سوف تنتقل الميونات عبر الأرجون السائل في خطوط مستقيمة، حيث تقوم بطرد الإلكترونات من ذرات الأرجون، تاركة وراءها سلسلة من الإلكترونات التي يمكن للكاشف رؤيتها. من ناحية أخرى، إذا أنتج النيوترينو إلكترونًا، فإن العملية ستنتج فوتونًا سينتج إلكترونين، ثم المزيد من الفوتونات وما إلى ذلك، في سلسلة من الجسيمات الجديدة. وبالمثل، ستنتج جسيمات نيوترينو تاو جسيمات تاو، ولكن فقط إذا كان للنيوترينو الأولي طاقة كافية؛ تحتاج جسيمات تاو، التي تكون كتلتها أكبر من الإلكترونات أو الميونات، إلى طاقة أكبر لتكوينها. سيبدأ العلماء في CERN باختبار إصدارات مصغرة من كاشف DUNE عن بعد في عام 2018. "تشبه هذه الكاشفات المهام الفضائية إلى حد ما، لأنه بمجرد إطلاقها لا يمكنك إيقافها وتفكيكها لإصلاح الأشياء". يقول جوزيف ليكين، نائب مدير بيرميليف. "بمجرد الحصول على 17,000 ألف طن من الأرجون السائل، يصبح من الصعب للغاية إخراجها".

لتحقيق النجاح، سيتعين على DUNE التغلب على عقبات الميزانية والسياسية التي أعاقت المشاريع المادية الكبيرة في الماضي. في يوليو 2017، أقام العلماء والمسؤولون حفلًا وضع حجر الأساس في منشأة سانفورد، والذي يمثل بداية عملية تنقيب ضخمة ستستمر لمدة ثلاث سنوات على الأقل. وبطبيعة الحال، تم إجراء الكثير من الحفريات من أجل SSC، والذي كان من المخطط أن يكون أكبر من LHC. ومن الواضح أن اللجنة SSC قد نجحت في اكتشاف بوزون هيغز، ولكن تم إلغاؤها في عام 1993 بسبب التكاليف الباهظة والموضات السياسية المتغيرة. يقول لوكير: "يمكنك أن تنظر إلى الماضي وتتذكر بعل ميتز، ويا ​​لها من قصة حزينة". "إن الطبيعة الدولية لـ DUNE هي خطوة كبيرة إلى الأمام." إن الالتزامات والتمويل القادم من أكثر من دولة سيساعد DUNE على تجنب المصير المظلم لـ SSC. يقول لوكير: "أقول أن هذا سيحدث بالتأكيد". ثم فكر للحظة: "لكن هل من الممكن أن الأمر لم يتحقق؟ نعم."

تعليقات 3

  1. ولا علاقة له بسرعة النيوترينو. هناك جسيمات أسرع ليس لدينا مشكلة في اكتشافها، مثل بوزونات المعايرة المختلفة. وتنبع الصعوبة من ضعف تفاعله مع بقية المحتوى الجزيئي للنموذج القياسي.

  2. قد يتحول النيوترون إلى بروتون + إلكترون والبروتون إلى نيوترون + فيون

ترك الرد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها *

يستخدم هذا الموقع Akismat لمنع الرسائل غير المرغوب فيها. انقر هنا لمعرفة كيفية معالجة بيانات الرد الخاصة بك.