ملخص
النيوترينوات هي جسيمات دقيقة دون ذرية。تعبرالملياراتمنهامنخلالأجسادنافيكلثانية،ويأتيمعظمهامنالشمس。ولكنعلىعكسأشعةالشمسالتييمكننارؤيتهابسهولة،فإنرصدالنيوترينواتيُعدأمرًابالغالصعوبة。ولكينتمكنمن”رؤيتها”يتعينعليناأننبنيأجهزةكشفضخمةللغايةوأننحجبالإشاراتالصادرةعنأيجسيماتأخرى。ويفعلالعلماءذلكمنخلالبناءأجهزةكشفالنيوترينواتعميقًاتحتالأرض。سنتعلمفيهذاالمقالكيفيمكنلأجهزةالكشفالعملاقةهذهأنتساعدفيفكشفرة”الرسائ”لالتيتحملهاهذهالجسيماتالشبحيةحولتركيبالنجوموالمجراتوالكونوتاريخها。
مقدمة
النيوترينواتهيجسيماتدقيقةدونذريةوهيخفيةمثلالأشباح。تعبرتريليوناتمنهامنخلالنافيكلثانيةدونأنتتركأيأثر。وغالبًا ما تأتي منالتفاعلاتالنوويةالتيتمدشمسنابالطاقة،ولكنعلىعكسأشعةالشمسالتينراهاونشعربهاعلىوجوهنا،فإنهذهالجسيماتالشبحيةلاتتفاعلغالبًامعالموادالتقليدية。و”لرؤية”النيوترينوات،يصنعالعلماءأجهزةكشفضخمةوحساسة،وغالبًاماتكونفيأعماقالأرض。تساعدالمادةالتييتكونمنهاكوكبالأرضفيحمايةالإشاراتمنالجسيماتالأخرى،حتىتحظىإشاراتالتفاعلاتالنادرةللنيوترينواتبالفرصةللكشفعنها。هذاوتساعدأجهزةالكشفالعملاقةهذهالعلماءفيالتقاط”الرسائ”لالتيتحملهاهذهالجسيماتالشبحية。عندمايفكالعلماءشفرةالرسائل،فإنهميتعلمونالعلاقةبينالنيوترينواتوتركيبالنجوموالمجراتوالكونوتاريخها。
ما هو النيوترينو؟
النيوترينواتهيجسيماتخفيفةللغايةلاتحتويعلىشحناتكهربائية。تنبعثالنيوترينواتعندانحلالأنويةذريةغيرمستقرة،ويحدثهذاالانحلالالإشعاعيفي كل مكان من حولنا。تتحللالمعادنالموجودةفيالصخور،حتىالبوتاسيومفيالموزلإنتاجالنيوترينوات(انظرالشكل1)．لكنتأتيالنيوترينواتمنالتفاعلاتالنوويةفيالشمسأكثرمنأيمصدرآخر。
- شكل1 -انحلالذرةمشعة،البوتاسيو40،مالموجودةفيالموزوبه40مانالبروتونات(p)والنيوترونات(n)فينواتها،إلىالكالسيو40زمائدإلكترون(e)،وجسيم”شبحي”حاملللرسائلمتعادلالشحنةيسمىنيوترينو(الحرفاليونانيνينطق“ν”)。
- قديساعدكفهمسلوكالنيوترينواتفيالكشفعنأسرارالكونالمهمة。مصدر الصورة:天子Bowman، مختبر بروكهافن الوطني。
وبغضالنظرعنمصدرالنيوترينوات،فإنهاغيرضارةتمامًالأنهالاتلتصقببعضهاأوتتفاعلمعالكثيرمنالأشياء。فهيتتدفقمنالشمسومنالفضاءالخارجي،وتمرمباشرةعبرالمادةالعادية،حتىأجسامناوكوكبالأرضذاته،دونأننعلمبذلك。وبهذهالطريقة،فإنهاتبدوكالأشباح،ولكنهاغيرمرئية،ولكنلأنالنيوترينواتتحملمعلوماتحولمايحدثداخلمراكزالنجوموالمجرات،يرغبالعلماءفيمعرفةمزيدمنالمعلوماتعنها。قدتساعدناالنيوترينواتعلىفهمماكانيحدثعندتشكلالكونلأولمرةمنذمايقربمن14مليارسنة。
كيف ترصد جسيمًا شبحيًا!
نادرًاماتتفاعلالنيوترينواتمعالمادةالعادية،لذايصعباكتشافها。إذاوضعتكوبًامنالماءعلىطاولة،فسيمرتريليونمنالنيوترينواتعبرهفيكلثانية。تتحركمعظمهذهالجسيماتالغامضةمندونأنتصدرصوتًاأوأنتتركأثرًا。
ولكنفيبعضالأحيانالنادرةللغاية،مثلمرةكلعشرةملايينتريليونمرة،سيصطدمالنيوترينوبإحدىالذراتالتييتكونمناجزيءالماء。وقديؤديهذاالتفاعلالنادرإلىتوليدوميضصغيرمنالضوءأوتركبعضالشحنةالكهربائيةالحرة。
هذاالبريقالخاطفضعيفللغايةبحيثلايمكنرؤيتهبالعينالمجردة。ولكنيمكنللعلماءصنعأجهزةكشفحساسةللغايةلالتقاطتلكالإشاراتالضعيفة。وكأنهاأشياءمستوحاةمنفيلم”صائدوالأشباح”(捉鬼敢死队)،تعملالأجهزةالإلكترونيةداخلأجهزةالكشفعلىتضخيمالإشاراتلجعل”الأشباح”غيرالمرئيةمرئية!
لكنانتظارحدوثتفاعلالنيوترينوالذيتكوننسبةحدوثه”واحدكلعشرةملايينتريليون”قديستغرقطويلًاللغاية。وللحصولعلىكميةكافيةمنالنيوترينواتللتعرفعلىأيشيءعنها،يحتاجالعلماءإلى”كوباكبرمنالماء،أيخزاناتضخمةمليئةبملايينالجالونات،ويتعينعليهموضعخزاناتأجهزةالكشفالضخمةعميقًاتحتالأرض。لماذا؟لأنالنيوترينواتليستالجسيماتالوحيدةالتيتنطلقإلىالأرض。كماتتدفقالعديدمنالجسيماتالنشطةالأخرىالمعروفةباسمالأشعةالكونيةمنالفضاءالخارجي。يمكنأنيتسببكلجسيممنجسيماتالأشعةالكونيةهذهفيتفاعلمرئيفيأجهزةالكشف。إذاكانخزانجهازالكشففوقسطحالأرض،فإنملايينمنتفاعلاتالأشعةالكونيةستحجببسهولةإشاراتالنيوترينوالنادرة。ولكنمعوجودجهازالكشفعميقًاتحتالأرض،يتمإيقافالأشعةالكونيةمنخلالالتفاعلمعذراتالأرضبينماتمرالنيوترينواتمباشرةلتتركآثارهافيجهازالكشف。
أجهزةكشفالنيوترينواتوأنواعالنيوترينواتالمختلفة
تتمتع النيوترينوات بنطاقات كبيرة من الطاقة。يمكنأنيؤديهذاالاختلاففيالطاقةإلىحدوثوميضصغيرمنالضوءأووميضشديدالسطوعفيأجهزةالكشفالمملوءةبالماء。وتأتيالنيوترينواتأيضًافيثلاثةأنواعمختلفة،تسمىالسمات。وقدتعلمالعلماءطريقةصنعأجهزةكشفمناسبةلكلنوعمنأنواعالنيوترينواتومجموعةكبيرةمنطاقاتها。
ينتجتفاعلكلنوعمختلفمنالنيوترينواتنوعًامختلفًامنالجسيماتسالبةالشحنة。ينتجنيوترينوالإلكترونإلكترونًا(الأمربسيط،أليسكذلك؟)。يتمتسميةالنوعينالآخرينمنالنيوترينواتعلىأسماءجسيماتدونذريةمختلفةوثقيلة:ينتجنيوترينوالميونجسيماتميون،وينتجنيوترينوتاوجسيماتتاو。
كما توجد نسخ منالموادالمضادةلسماتالنيوترينواتالثلاثة。وماهذهإلانفسنيوترينواتالمادةالتقليدية،باستثناءأنهاتنتججسيماتموجبةالشحنةفيجهازالكشف。
يمكنللعلماءتمييزهذهالجسيماتبشكلٍمنفصللأنكلنوعيتركنمطًامختلفًافيجهازالكشف。علىسبيلالمثال،تتركالميوناتمساراتمستقيمة،وتبدوالإلكتروناتمثلالمرشات،وتتحللجسيماتالتاوبسرعةلإنتاجمساراتمستقيمةمتعددة。باستخدامالأنماطالمختلفة،يستطيعالعلماءفكشفرةسماتالنيوترينواتوالرسالةالمخفيةالتييحملهاكلجسيمشبحي。
الأجهزةالإلكترونيةالحساسةتلتقطصورًاثلاثيةالأبعاد
يقومفريقمنالعلماءحاليًابصنعجهازكشفنيوترينواتجديدضخمعميقًاتحتالأرضفيداكوتاالجنوبيةبالولاياتالمتحدة。تُعرفهذهالتجربةباسمتجربةالنيوترينوالعميقةتحتالأرض(沙丘)。سيتم ملء جهاز الكشف الخاص بهذه التجربةبالأرجونالسائل．
يمثلغازالأرجون١%فقطمنغلافناالجوي،لكنبإمكانالعلماءجمعهللحصولعلىأرجونسائلعاليالنقاء。يجعلهذاالغازشديدالبرودة(- 186درجةمئوية)اكتشافمساراتالجسيماتالمشحونةالتيتنتجهاتفاعلاتالنيوترينواتسهلًا،وذلكلأنهعندتحركالجسيماتالمشحونةالسريعةعبرالأرجونالسائل،تقومفيطريقهابتحويلذراتالأرجونإلىأيونات。
تسمحعمليةالتأينللآثارالتيتتركهاالنيوترينواتبأنتظهرفيصورة”صواعقبرقية”،لكنيمثلبناءجهازلكشفسائلالأرجونالباردتحديًاكبيرًاللتأكدمنأنهذاالتصميمالجديدسيعملبشكلسليم،بنىالفريقالدوليمؤخرًانسخةأصغرواختبرها،تُعرفباسم“ProtoDUNEأوالنموذجالأوليلتجربةالنيوترينوالعميقةتحتالأرض(انظرالشكل2)．نجحالعلماءفيتصويرأنواعمختلفةمنالجسيماتمنخلالهذاالكاشففيالمختبرالأوروبيلفيزياءالجسيماتالتابعللمنظمةالأوروبيةللأبحاثالنووية(مختبر”سيرن”欧洲核子研究中心)،حيثالتقطتالأجهزةالإلكترونيةالمُصممةبعنايةالإشاراتوسجلتهاثمحولتأجهزةالكمبيوترتلكالقياساتإلىصورثلاثيةالأبعادجميلةلمساراتالجسيمات(انظر视频1)مثلكاميرارقميةبدقةخمسةميجابكسلتلتقطصورًاثلاثيةالأبعاد!
- شكل2 -يقفعالِمداخلجهازكشف“ProtoDUNE”(النموذجالأوليلتجربةالنيوترينواتالعميقةتحتالأرض)فيمختبرCERNبأوروباقبلأنيمتلئبالأرجونالسائلالنقيالبارد(بدرجةحرارة-186درجةمئوية!)。
- يفحصالعالمالسطحالداخليالموجودفيصندوقمعزولمصنوعمنالفولاذالمقاومللصدأالنظيفللغاية。عندماتتمتعبئةجهازالكشفوتشغيله،يتمتنشيطهذهالأسطحبتيارذيجهدعالٍليتسببفيانجرافالجسيماتالمشحونةالناتجةعنتأينالأرجونالسائلويتمالتقاطهابواسطةأجهزةإلكترونيةحساسةحتىيتمكنالعلماءمنتسجيلها。مصدر الصورة:费米国家加速器实验室。
- 视频1 -يوضحهذاالشكلمساراتالعديدمنالجسيماتالمشعةتمرعبرجهاز“protoDUNE”。
- تم استخدام تلك البيانات لاختبار أداء الجهاز。تطابقالألوانكثافةالتأينفيالأرجونالسائل(الأحمرأقلكثافةوالأزرقأكثركثافة)。تتمعمليةالتأينعنطريقتطبيقمجالكهربائيقويعلىالكاشف。صُممتهذهالصورةثلاثيةالأبعادعنطريقتحليلالإشاراتالكهربيةودمجهامنآلافالكابلاتعلىالجدرانالتيتعملمثلوحداتالبكسلفيالكاميراالرقمية。مصدرالصورة:曹张،مختبربروكهافنالوطنييمكنكعرضهذهالبياناتثلاثيةالأبعادمنخلالهذاالرابط。
جسيماتتحملرسائلمنالشمس،والغلافالجوي،والمفاعلات،والمسرّعات
فيالسنواتالخمسينالأخيرة،تطورالعلماءفياكتشافالنيوترينوات،فلقدنجحوافيقياسهاأثناءقدومهامنالشمس،ومناصطداماتالأشعةالكونيةمعالذراتفيالغلافالجويللأرض،ومنالمفاعلاتالنوويةالتيتنتجالكهرباء(انظرالشكل3)．
- شك3 -اللمصادرالأربعةللنيوترينواتالتياستُخدمتفيالتجربة。
- (一)الشمس تنتج نيوترينوات الإلكترون (νe)。(B)نوعانمنالنيوترينوات،نيوترينواتالميون(νμ)،ونيوترينواتالإلكترون(ne)،يتمإنتاجهماعنطريقتصادمأشعةكونيةعاليةالطاقةمعذراتالغلافالجويللأرض。(C)ينبعثمنالمفاعلاتالنوويةمضاداتلنيوترينواتالإلكترون(反ne)。(D)تُنتجمسرعاتالبروتونعاليالطاقةشعاعًامننيوترينواتميون(νμ)موجهةمنخلالالأرض。وتُثبتأجهزةالكشفعلىبعدمسافاتمختلفةمنالمصدر。مصدر الصورة:天子Bowman، مختبر بروكهافن الوطني。
كما تعلموا أيضًا إنتاج نيوترينوات نشطة للغاية فيمسرّعاتعاليةالطاقة。كلنوعمنالمصادريُنتجنوعًامختلفًامنالنيوترينواتعندمستوياتطاقةمختلفة。توصلالعلماءإلىاكتشافينمذهلينحولالنيوترينواتعنطريقإحصاءكلنوعمنهاعلىمسافاتمختلفةمنتلكالمصادر。أولًا،اكتشفواأنالأنواعالثلاثةللنيوترينواتتتحولإلىبعضهاالبعضأثناءانتقالهاخلالالفضاء。بمعنىآخر،تتغيرالرسائلالتيتحملهاالنيوترينواتأثناءانتقالها。ثانيًا،اكتشفواأنكتلةالنيوترينواتضئيلةللغاية!إذيزنكلجسيمنيوترينوأقلمنواحدعلىمليونمنكتلةالإلكترون。
وجدتأولتجربةناجحةلاكتشافنيوترينواتشمسيةأجراها雷蒙德戴维斯فيعا1960فميمختبربروكهافنالوطنيمفاجأة:بشكلأوبآخر،كانالعديدمنالنيوترينواتالتيكانيتوقعالعلماءإيجادهامفقودة。لكن ذلك لم يكن بسبب عطل في الكاشف。صممالعلماءالكاشفالخاصبهملاستقبالنوعواحدفقطمنالنيوترينوات،هونيوترينواتالإلكترونالتيتتولدفيلُبالشمس。وكانبمقدورالعلماءحسابالعددالدقيقالذيسيلتقطهالكاشفمننيوترينوالإلكترون。لكنلميظهرإلاثلثعددنيوترينوالإلكترونالذيكانمنالمتوقعأنيظهر。ومنخلالتجاربالمتابعة،توصلالعلماءفيالنهايةإلىسببهذااللغز。تحولبعضمننيوترينوالإلكترونإلىالنوعينالآخرين(ميونأوتاو)أثناءرحلتهمنالشمس،ولأنالكاشفلميستطعالتقاطهذينالنوعين،تصورالعلماءأنهماغيرموجودين。
كاناكتشالف戴维斯ـ”مشكلةنيوترينواتالشمس”فيبادئالأمرمثيرًاللجدل。وكان لابد من اختباره من خلال تجارب أخرى。تجاربتُستخدمفيهانيوترينواتالغلافالجوي،ونيوترينواتالمفاعل،ونيوترينواتالمسرّع。وفيجميعتلكالتجارب،وجدالعلماءأنأنواعالنيوترينواتالتياختفتتحولتإلىأنواعأخرىأثناءانتقالهاعلىالمسافةالبعيدة。
ستكشفتجربة沙丘الجديدةفيالولاياتالمتحدةوتجربة超级Kamiokandeفياليابانتفاصيلأكثرعنسلوكتحولالنيوترينواتومضاداتالنيوترينوات。إذاوجدالعلماءاختلافًابينكيفيةتحولالنيوترينوات،قديحلذلكأحدأعظمألغازالكون:وهولماذاصُنعالكونمنالمادةفقطوليسالمادةالمضادة。
يعتقدالعلماءأنالمادةوالمادةالمضادةوُجدتابكمياتمتساويةفيالانفجارالعظيم．كانينبغيأنتدمرتلكالكمياتالمتساويةمنالمادتينالمتضادتينبعضهماالبعضتاركينالضوءفقط。لذا،فوجودالمادةفقطالآنيُعددليلًاعلىوجودفائضقليلمنالمادة。منالمحتملأنيكونالاختلافبينالنيوترينواتوالنيوترينواتالمضادةقدتسببفيوجودهذاالفائضالقليلبينمايتمددالكونويبرد。إذاكانهذاحقيقيًا،فعليناأننشكرالنيوترينواتعلىوجودالكونالمحيطبناالآن،الحافلبجميعالأشياءالتييمكننارؤيتهاحولنابمافيهاالصخور،والنباتات،والحيوانات،والبشر!
مسردللمصطلحات
التفاعلات النووية(核反应)：↑تحدثالتفاعلاتالنوويةعندماتتفاعلالأنويةالذريةمعبعضهاالبعضمشكّلةأنويةأخرى。تتحدأنويةالهيدروجين(البروتونات)،فيالشمس،لتكوينأنويةالهيليوموإطلاقالطاقة——الحرارةوأشعةالشمس。
الانحلال الإشعاعي(放射性衰变)：↑تكونأنويةالعديدمنالذراتغيرمستقرة،ومعمرورالوقتتتفككوتطلقجسيماتنشطة،مثلأشعةألفاوبيتاوجاما。تُسمى عملية التفكك هذه بالانحلال الإشعاعي。
سمات النيوترينوات(中微子口味)：↑تأتيالنيوترينواتبثلاثسماتأوأنواع،سميتباسمأنواعمختلفةمنالجسيماتالمشحونةالتيتنتجهاعندماتتفاعلمعالمادةالعادية。الجسيماتالثلاثةالأساسيةسالبةالشحنةهيالإلكترونوالميونوجسيمتاو。وهيمتطابقةفيكلالأحوالباستثناءأنالميونأثق200لمرةمنالإلكترون،والتاوأثق3500لمرةمنه。
المادة المضادة(反物质)：↑يكونلكلنوعمنالجسيماتالمشحونةمنالمادةنظيرمشحونمعاكسله。هذهالجسيماتالمتطابقةلكنالمتضادةمنحيثالشحنةهيموادمضادة(أوجسيماتمضادة)。علىسبيلالمثال،نظيرالمادةالمضادةللميون(سالبالشحنة)هومضادالميون(موجبالشحنة)。النيوترينواتليسلهاشحنة،ولكنلهاجسيماتمضادةأيضًا،وفهمطبيعةمضاداتالنيوترينواتهذههوأحدأهمالألغازفيالفيزياء。
الأرجون السائل(液氩)：↑الأرجونهوغازخامليشكلنسبةواحدبالمائةمنالغلافالجويللأرض。يصبحالأرجونسائلاًعنددرجةحرارة-186درجةمئويةولهمظهرشفافكالماء。هومفيدللكشفعنالنيوترينواتلأنالتأينيدوملفترةكافيةللكشفعنه。
التأين(电离辐射)：↑يحدثالتأينعندماتصطدمالجسيماتالنشطةبالإلكتروناتفيالذرات。وتكون النواتج أيونات موجبة الشحنة وإلكترونات حرة。
视频1：↑“يوضحهذاالشكلمساراتالعديدمنالجسيماتالمشعةتمرعبرجهاز”protoDUNE”。تم استخدام تلك البيانات لاختبار أداء الجهاز。تطابقالألوانكثافةالتأينفيالأرجونالسائل(الأحمرأقلكثافةوالأزرقأكثركثافة)。تتمعمليةالتأينعنطريقتطبيقمجالكهربائيقويعلىالكاشف。صُممتهذهالصورةثلاثيةالأبعادعنطريقتحليلالإشاراتالكهربيةودمجهامنآلافالكابلاتعلىالجدرانالتيتعملمثلوحداتالبكسلفيالكاميراالرقمية。مصدرالصورة:曹张،مختبربروكهافنالوطنييمكنكعرضهذهالبياناتثلاثيةالأبعادمنخلالهذاالرابط。
المسرّعات(加速器)：↑المسرعاتهيماكيناتتتمفيهازيادةسرعةالجسيماتالمشحونة،مثلالإلكتروناتوالبروتونات،حتىتصلإلىسرعةالضوءتقريبًا。بإمكانالعلماءإجراءتصادمبينأشعةمكثفةللغايةناتجةعنتلكالجسيماتوبعضالأهدافلإنتاججسيماتأخرىدونذريةتشملنيوترينواتنشطة。
الانفجار العظيم(宇宙大爆炸)：↑يُلخصالانفجارالعظيمالحدثالذيبدأتفيهنشأةالكونمننقطةواحدةمليئةبحالةكثيفةوحارةللمادةقب14ملليارسنة。تكونتجميعالجسيماتوالموادالتينراهااليومبمافيهاالمجرات،والنجوم،والكواكب،وغيرذلكالكثيرعلىشكلتلكالنقطةثمتمددتوبردت。
إقرار تضارب المصالح
يعلنالمؤلفونأنالبحثقدأُجريفيغيابأيعلاقاتتجاريةأوماليةيمكنتفسيرهاعلىأنهاتضاربمحتملفيالمصالح。