النيوترينوات هي إحدى الجسيمات الأساسية التي يتكون منها الكون. مقارنة بالأنواع الأخرى من الجسيمات ، فإن كتلتها قليلة جدًا ، وبدون شحن ، وتتفاعل فقط مع الآخرين عبر القوة النووية الضعيفة والجاذبية. على هذا النحو ، فإن العثور على أدلة على تفاعلات الوريث أمر صعب للغاية ، ويتطلب أدوات ضخمة تقع في أعماق الأرض لحمايتهم من أي تدخل.
ومع ذلك ، باستخدام Spallation Neutron Source (SNS) ، وهو منشأة بحثية تقع في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) - قام فريق دولي من الباحثين مؤخرًا باكتشاف تاريخي حول النيوترينوات باستخدام طريقة مختلفة تمامًا. كجزء من تجربة COHERENT ، تؤكد هذه النتائج توقعًا تم إجراؤه قبل 43 عامًا وتوفر إمكانيات جديدة لأبحاث النيوترينو.
ونشرت الدراسة التي تفصل النتائج التي توصلوا إليها تحت عنوان "مراقبة تناثر نيترينو نواة مرنة متماسكة" مؤخرًا في المجلة. علم. تم إجراء البحث كجزء من تجربة COHERENT ، وهو تعاون من 80 باحثًا من 19 مؤسسة من أكثر من 4 دول كانت تبحث عن ما يُعرف باسم تشتت Coutrent Elastic Neutrino-Nucleus (CEvNS) لأكثر من عام.
في العثور على دليل على هذا السلوك ، صنع COHERENT التاريخ بشكل أساسي. كما قال جايسون نيوبي ، فيزيائي ORNL والمنسق الفني لـ COHERENT ، في بيان صحفي لـ ORNL:
"كانت تجربة فيزياء الجسيمات الفريدة من نوعها في مختبر أوك ريدج الوطني أول من قام بقياس التشتت المتماسك للنيوترينوهات منخفضة الطاقة من النوى."
لتحليل كل شيء ، يشير النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات إلى أن النيوترينوات هي لبتونات ، وهو جسيم يتفاعل مع مادة أخرى بشكل ضعيف للغاية. يتم إنشاؤها من خلال الاضمحلال الإشعاعي ، والتفاعلات النووية التي تشغل النجوم ، ومن المستعرات الأعظمية. يتنبأ نموذج الانفجار الكبير لعلم الكونيات أيضًا بأن النيوترينوات هي الجسيمات الأكثر وفرة في الوجود ، لأنها نتاج ثانوي لخلق الكون.
على هذا النحو ، كانت دراستهم نقطة محورية رئيسية للفيزيائيين النظريين وعلماء الكونيات. في دراسات سابقة ، تم الكشف عن تفاعلات النيوترينو باستخدام أطنان من المواد المستهدفة حرفيا ثم فحص تحولات الجسيمات الناتجة عن ضرب النيوترينوات.
وتشمل الأمثلة مرصد سوبر كاميو كاندي في اليابان ، وهو منشأة تحت الأرض حيث المواد المستهدفة هي 50000 طن من الماء عالي النقاوة. في حالة مرصد سودبوري نيوترينو من SNOLAB - والذي يقع في مجمع منجم سابق بالقرب من سودبوري ، أونتاريو - يعتمد جهاز SNO للكشف عن النيوترينو على الماء الثقيل للكشف عن النيوترينو بينما تستخدم تجربة SNO + معانًا سائلًا.
ويعتمد مرصد IceCube Neutrino - أكبر كاشف نيوترينو في العالم ، والذي يقع في محطة Amundsen - Scott South Pole Station في أنتاركتيكا - على الجليد في القطب الجنوبي للكشف عن تفاعلات النيوترينو. في جميع الحالات ، تكون المرافق معزولة للغاية وتعتمد على معدات باهظة الثمن.
ومع ذلك ، فإن تجربة COHERENT أصغر بكثير وأكثر اقتصادا بالمقارنة ، ويزن فقط 14.5 كجم (32 رطلا) ويحتل أقل بكثير في طريق الفضاء. تم إنشاء التجربة للاستفادة من النظام الحالي القائم على مسرع SNS ، والذي ينتج أشعة الحزم النيوترونية النبضية في العالم من أجل تحطيم ذرات الزئبق بحزم من البروتونات.
تخلق هذه العملية كميات هائلة من النيوترونات التي تستخدم في التجارب العلمية المختلفة. ومع ذلك ، تخلق العملية أيضًا كمية كبيرة من النيوترينوات كمنتج ثانوي. للاستفادة من ذلك ، بدأ فريق COHERENT في تطوير تجربة النيوترينو المعروفة باسم "زقاق النيوترينو". تقع في ممر قبو على بعد 20 مترًا (45 قدمًا) من خزان الزئبق ، وتوفر الجدران الخرسانية السميكة والحصى حماية طبيعية.
كما تم تجهيز الممر بخزانات مياه كبيرة لحجب النيوترينوات الإضافية والأشعة الكونية والجسيمات الأخرى. ولكن على عكس التجارب الأخرى ، فإن كاشفات COHERENT تبحث عن علامات اصطدام النيوترينوات في نوى الذرات الأخرى. للقيام بذلك ، قام الفريق بتجهيز الممر بأجهزة كشف تعتمد على بلورة يوديد السيزيوم اللامع ، والتي تستخدم أيضًا أوديوم لزيادة بروز إشارات الضوء التي تسببها تفاعلات النيوترينو.
قاد خوان طوق ، فيزيائي من جامعة شيكاغو ، فريق التصميم الذي أنشأ الكاشف المستخدم في SNS. كما أوضح ، كان هذا هو نهج "العودة إلى الأساسيات" الذي تخلص من أجهزة الكشف الأكثر تكلفة والأكثر ضخامة:
يمكن القول إنها أكثر أنواع كاشف الإشعاع المتاحة للمشاة ، حيث كانت موجودة منذ قرن من الزمان. يدمج يوديد السيزيوم المخدر بالصوديوم جميع الخصائص المطلوبة للعمل ككاشف نيوترينو متماسك "يدوي" صغير. في كثير من الأحيان ، القليل هو أكثر ".
بفضل تجربتهم وتطور SNS ، تمكن الباحثون من تحديد أن النيوترينوات قادرة على الاقتران مع الكواركات من خلال تبادل بوزونات Z المحايدة. تم توقع هذه العملية ، المعروفة باسم تناثر نيترينو نوكليوس المرن (CEvNS) ، لأول مرة في عام 1973. ولكن حتى الآن ، لم يتمكن أي فريق أو فريق بحثي من تأكيدها.
وكما أشار جايسون نيوبي ، نجحت التجربة إلى حد كبير بفضل تعقيد المنشأة الحالية. وقال: "إن طاقة النيوترونات SNS تم ضبطها بشكل مثالي تقريبًا لهذه التجربة - كبيرة بما يكفي لإنشاء إشارة قابلة للكشف ، ولكنها صغيرة بما يكفي للاستفادة من حالة التماسك". "إن البندقية الوحيدة للتفاعل هي كمية صغيرة من الطاقة المنقولة إلى نواة واحدة."
كانت البيانات التي أنتجتها أيضًا أنظف مما كانت عليه في التجارب السابقة ، لأن النيوترينوات (مثل شعاع النيوترونات SNS الذي أنتجها) كانت أيضًا نابضة. وقد سمح ذلك بفصل الإشارة بسهولة عن إشارات الخلفية ، التي قدمت ميزة على مصادر النيوترينو المستقرة - مثل تلك التي تنتجها المفاعلات النووية.
اكتشف الفريق أيضًا ثلاث "نكهات" من النيوترينوات ، بما في ذلك نيوترينات الميون ، ومضادات النيوترينونات الميونية ، والنيوترينونات الإلكترونية. في حين ظهرت النيوترينات الميونية على الفور ، تم اكتشاف البعض الآخر بعد بضع ميكروثانية. من هذا ، لم يثبت فريق COHERENT نظرية CEvNS فحسب ، بل أيضًا النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. نتائجهم لها أيضا آثار على الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات.
كما أوضحت كيت شولبرغ ، عالمة فيزياء من جامعة ديوك والمتحدث الرسمي باسم COHERENT:
"عندما ينهار نجم ضخم ثم ينفجر ، تفرز النيوترينوات طاقة هائلة في الغلاف النجمي. يغذي فهم العملية فهم كيفية حدوث هذه الأحداث الدرامية ... ستساعد بيانات COHERENT في تفسير قياسات خصائص النيوترينو من خلال التجارب في جميع أنحاء العالم. قد نتمكن أيضًا من استخدام الانتثار المتماسك لفهم بنية النواة بشكل أفضل. "
في حين لا توجد حاجة لمزيد من التأكيد على نتائجهم ، يخطط باحثو COHERENT لإجراء قياسات إضافية من أجل مراقبة تفاعلات النيوترينو المتماسكة بمعدلات متميزة (توقيع آخر للعملية). من هذا ، يأملون في توسيع معرفتهم بطبيعة CEvNS ، بالإضافة إلى خصائص النيوترينو الأساسية الأخرى - مثل المغناطيسية الجوهرية.
كان هذا الاكتشاف مثيرًا للإعجاب بالتأكيد في حد ذاته ، نظرًا لأنه يثبت جانبًا من كل من النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات وعلم الكونيات Big Bang. لكن حقيقة أن الطريقة تقدم نتائج أنظف وتعتمد على أدوات أصغر بكثير وأقل تكلفة من التجارب الأخرى - وهذا مثير للإعجاب للغاية!
من المؤكد أن آثار هذا البحث ستكون بعيدة المدى ، وسيكون من المثير للاهتمام أن نرى ما هي الاكتشافات الأخرى التي تمكنه في المستقبل!
