ضيوف من حافة الكون

النيوترينوات التي قد تصل إلينا من مسافات كونية، من اتساع الكون، ستكون قادرة على تعليمنا عمليات لا يمكن تمييزها باستخدام موجات الضوء

منظور جديد قد يسمح لنا برؤية أشياء لم نرها من قبل. وبنفس الطريقة، فإن امتصاص وقياس أنواع مختلفة من الجسيمات قد يكشف لنا "صورًا مختلفة ومتكاملة للعالم". على سبيل المثال، عندما نراقب الكون، فإننا عادةً ما ندرك ونقيس موجات ضوئية ذات أطوال موجية مختلفة (بعضها مرئي للعين البشرية وبعضها غير مرئي). ولكن في حالتين في الماضي عرفنا أن مراقبة جزيئات النيوترينو (النيوترينوات) التي تصل إلينا من مصادر مختلفة في الكون قد تسمح برؤى جديدة للعالم. في كلتا الحالتين، كانت النيوترينوات هي التي جاءت إلينا من مصادر قريبة نسبيًا: انفجر المستعر الأعظم 1987A في مجرة ​​قريبة، وقدمت النيوترينوات التي جاءت منها تأكيدًا على أن الانفجار نتج عن انهيار جاذبية النجم الذي أصبح نجمًا نيوترونيًا؛ أتاحت لنا جزيئات النيوترينو القادمة من شمسنا فهم آلية إنتاج الطاقة التي تحدث في قلب الشمس، وقياس كتلة النيوترينوات.

إن القرائن التي ظهرت في العديد من الدراسات النظرية هي أن هاتين الحالتين ليستا سوى قمة جبل الجليد، وأن النيوترينوات التي قد تصل إلينا من مسافات كونية، من اتساع الكون، ستكون قادرة في الواقع على تعليمنا عن العمليات التي لا يمكن تمييزها باستخدام موجات الضوء. وهذا في الواقع نوع جديد تمامًا من علم الفلك. على سبيل المثال، نحن نعلم أنه في اتساع الكون توجد مسرعات جسيمات طبيعية أقوى 100 مليون مرة من مسرع الجسيمات الكبيرة (LHC)، الذي تم تركيبه في المختبر الأوروبي لدراسة فيزياء الجسيمات، ساران، بالقرب من جنيف. نحن نعرف عن هذه المسرعات، لأن الجسيمات التي "تطلقها" علينا تضرب الطبقة العليا من الغلاف الجوي بقوة كبيرة، مسببة "مترا" من الجسيمات التي تهبط إلى الغلاف الجوي، وتلتقطها أجهزة القياس لدينا. ولكن أين تقع هذه المسرعات بالضبط؟ ما هي الجسيمات التي يتم تسريعها؟ البروتونات؟ حبات ثقيلة؟ كيف بالضبط يقومون بتسريع الجسيمات إلى هذه السرعات العالية؟ كل هذه الأسئلة تبهر علماء الفيزياء الفلكية حول العالم.

واقترح البروفيسور إيلي واكسمان، من قسم فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية في معهد وايزمان للعلوم، أن تعمل المسرعات البعيدة بالقرب من الثقوب السوداء الشابة التي تشبه كتلتها كتلة الشمس، وهي المسؤولة أيضًا عن إنشاء أشعة غاما القوية. يومض الشعاع. وفي عمل متابعة، قام به مع البروفيسور جون بيكل من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، اقترح الاثنان نموذجًا يتنبأ بأن جسيمات النيوترينو النشطة سيتم إنشاؤها في عملية التسارع.

جسيمات النيوترينو عديمة الشحنة، وعديمة الكتلة تقريبًا، ونادرًا ما تتفاعل مع مكونات المادة الأخرى. بمعنى آخر، يأتون من أقاصي الكون، ويمرون بكل ما يقف في طريقهم، بما في ذلك الأرض والأشخاص الذين يعيشون عليها - ويواصلون طريقهم إلى وجهات مجهولة. إن امتصاص وتحديد هذه النيوترينوات، التي تصل إلى هنا من مصادر بعيدة، قد يكون بداية لعلم فلك جديد، وربما حتى فيزياء جديدة. والسؤال المطروح بطبيعة الحال هو كيفية إدراك وقياس الجسيمات النشطة التي "لا تهمنا"، والتي بالكاد تتفاعل مع أي مادة أخرى.

وإذا لم تكن هذه الصعوبة المتأصلة كافية، فقد أضاف واكسمان وبيكل، نتيجة لدراسة مشتركة أخرى، حدا أعلى لكمية هذه الجزيئات، والذي بموجبه (بغض النظر عن مصدر هذه النتريت) سيصل جسيم واحد لكل كيلومتر مربع الأرض في الثانية. ويستنتج من هذا الحاجز العلوي أن كاشفاً يزن مليار طن موضوع على الأرض لن يتمكن، لمدة عام كامل، من اكتشاف ما لا يزيد عن بضع عشرات من جسيمات النيوترينو النشطة القادمة من تلك المصادر الكونية البعيدة. وبما أنه من الواضح أنه من غير الممكن بناء مثل هذا الكاشف، فقد تحول العلماء إلى الطبيعة. وهكذا بدأوا في بناء أجهزة كشف ضخمة في الغطاء الجليدي الذي يحيط بالقارة القطبية الجنوبية. يتم إنشاء الكاشف الكامل في الواقع من شبكة من الكواشف الصغيرة المثبتة في أعماق جليد القطب الجنوبي.

استغرق بناء الكاشف العملاق عدة سنوات، وتم الانتهاء منه مؤخرًا. من البيانات التي تم جمعها في الكاشف في العامين الماضيين (في المراحل الأخيرة من بنائه ومنذ اكتماله)، يبدو أنه خلال هذه الفترة تم اكتشاف عدة عشرات من جسيمات النيوترينو في الكاشف - وهو رقم قريب جدًا من رقم واكسمان وبيكل. الحد الأعلى. تظهر هذه النتيجة أن النيوترينوات التي تم اكتشافها جاءت بالفعل من مصادر كونية بعيدة، وأن الاعتبارات التي استند إليها واكسمان وبيك في إنشاء نموذجهما صحيحة. ومن بين هذه الافتراضات يمكننا أن نذكر الافتراضات الأساسية التالية: أن المعجلات (التي لا تزال طبيعتها غير معروفة) موزعة بالتساوي في الكون؛ فهي تعمل على تسريع البروتونات، وفي هذه العملية يتم إنشاء النيوترينوات. تصل إلينا الأنواع المختلفة من النتريت بكميات متساوية؛ يزداد معدل تسارع المسرعات مع المسافة. وهذا يعني أن المسرع الأبعد، "الأقدم"، ينتج المزيد من الجسيمات لكل وحدة زمنية (أو تزيد كثافة المسرعات كلما ذهبت إلى الماضي)؛ يتم استخدام جزء كبير من طاقة المسرعات لإنتاج جزيئات النيوترينو.

ويقول البروفيسور واكسمان إن البيانات الإضافية التي جمعها كاشف القطب الجنوبي يجب إعادة فحصها في السنوات المقبلة، وإننا مازلنا نواجه لغز أصول الجسيمات المتسارعة. مهما كان الأمر، يبدو أنه من الآن فصاعدا سيكون لدى العلماء الأدوات والبيانات المتاحة التي ستسمح لهم بتطوير نوع جديد من علم الفلك والفيزياء الفلكية، ومن بين أمور أخرى، اختبار الافتراضات المختلفة التي تكمن وراء النظرية النسبية بقدر أكبر بكثير. الدقة مما نحن قادرون عليه اليوم. وكما ذكرنا فإن المراقبة بطرق مختلفة قد تكشف لنا حقائق لم نكن نعرفها عن الكون الذي نعيش فيه.

البروفيسور إيلي واكسمان. وجهة نظر

البروفيسور إيلي واكسمان