[موسى عبد الماجد]

تجربة النيوترينو تكشف (مرة أخرى) أن هناك شيء مفقود من عالمنا


قامت آلة عد الإلكترون الكبيرة بشكل غير مباشر بقياس أضعف الجسيمات المعروفة في الفيزياء، كما أضافت إلى الأدلة على وجود المادةالمظلمة.



الجهد الدولي لقياس كتلة النيوترينات:


هذا القياس هو أول نتيجة جهد دولي لقياس كتلة النيوترينات — الجسيمات التي تملأ الكون وتحدد هيكله، ولكن بالكاد يمكننا اكتشافها على الإطلاق. وطبقاً لتجربة كارلسروه تريتيوم نيوتريتيوم (كاترين) التي تتخذ من ألمانيا مقراً لها، فإن كتلة الإلكترون لا تتجاوز 0,0002%. وهذا الرقم منخفض إلى الحد الذي يجعل كافة النيوترونات في الكون عاجزة عن تفسير كتلتها المفقودة حتى ولو قمنا بتلاويبها. وهذه الحقيقة تضاف إلى الأدلة على وجود المادة المظلمة.



نبذة قصيرة عن الة كاترين (KATRIN) المستخدمة في التجربة:



كاترين (KATRIN) هي في الأساس آلة كبيرة جداً لعدّ الإلكترونات عالية الطاقة الفائقة التي صنعت من عينة من التريتيوم - وهو شكل مشع من الهيدروجين. مع بروتون واحد واثنين من النيوترونات في كل ذرة. التريتيوم غير مستقر ، وتتحلل نيوتروناته الي أزواج تتكون من الكترون- نيوترينو . يبحث كاترين عن الإلكترونات وليس النيوترونات لأن النيوترونات خافتة لدرجة لا يمكن قياسها بدقة. وتستخدم الآلة غاز التريتيوم، وفقا لما ذكره حميش روبرتسون، عالم كاترين وأستاذ فخري في جامعة واشنطن، لأنها مصدر الإلكترون -النيوترينو الوحيد البسيط بما فيه الكفاية للحصول على قياس كتلة جيدة منه.



هل يمكن قياس كتلة النيوترونات بدقة تامة؟



النيوترونات هي جسيمات من الصعب قياس كتلتها بدقة ,ويرجع السبب في ذلك الي ان كتلتها صغيرة جداً بحيث تتخطي الكواشف دون حتي التفاعل معها .

لذا، ولمعرفة كتلة النيوترونات، قال روبرتسون لـ Live Science، تقوم الة كاترين بحساب أكثر الإلكترونات حيوية وتعمل للخلف من هذا الرقم لاستنتاج كتلة النيوترينو. وقد أعلنت النتائج الأولى من كاترين، وخلص الباحثون إلى نتيجة مبكرة: فالنيوترينات لا تتجاوز كتلتها 1.1 إلكترون فولت (EV).



بعض وحدات قياس الكتلة عند علماء الطاقة:



إلكترون فولت هي وحدات الكتلة وعلماء فيزياء الطاقة يستخدمونها عند التحدث عن أصغر الأشياء في الكون. (على نطاق الجسيمات الأساسية، يتم قياس الطاقة والكتلة باستخدام نفس الوحدات، كما يجب أن يكون لدى أزواج النيوتينو والإلكترون مستويات طاقة مشتركة تعادل نيوترون المصدر). يوضح بوزون هيغز، ان هنالك جزيئات أخرى كتلتها،تبلغ 125 مليار إلكترون فولت. تحتوي البروتونات، وهي الجسيمات الموجودة في مركز الذرات، على كتل تبلغ حوالي 938 مليون إلكترون فولت. الإلكترونات هي 510,000 EV فقط. تؤكد هذه التجربة أن النيوترينات صغيرة جداً.



حديث روبرتسون، عالم مشارك في تجربة كاترين وأستاذ فخري في جامعة واشنطن:



وقال روبرتسون إن كاترين آلة كبيرة جدا، لكن أساليبها واضحة. فالغرفة الأولى للجهاز مليئة بالتريتيوم الغازي، الذي يحلل النيوترونات بشكل طبيعي إلى إلكترونات ونيوترينات. ويعرف الفيزيائيون بالفعل كمية الطاقة التي تنتج عندما يتحلل النيوترون. يتم تحويل بعض الطاقة إلى كتلة النيوترينو وكتلة الإلكترون.اما المتبقي من الطاقة فيكون جسيمات اخري لها سرعة وطاقة حركية تكتسبها من هذة الطاقة المتبقية. عادة، يتم توزيع الطاقة الإضافية بالتساوي بين الإلكترون والنيوترينو. ولكن في بعض الأحيان يتم التخلص من أغلب أو كل الطاقة المتبقية في جسيم أو آخر.



وفي هذه الحالة، فإن كل الطاقة المتبقية بعد تشكيل النيوترينو والإلكترون يتم إلقاؤها في الجسيم الجديد الذي تكون بعد التحلل، مما يشكل إلكترون طاقة عالية جداً، على حد قول روبرتسون. وهذا يعني أن كتلة النيوترينو يمكن حسابها: فهي الطاقة التي ينطوي عليها اضمحلال النيوترون ناقص كتلة الإلكترون والحد الأقصى لمستوى طاقة الإلكترونات في التجربة.



ولم يحاول الفيزيائيون الذين صمموا التجربة قياس النيوترينات؛ بل سمحو لها بالهروب من الماكينة دون تغيير. وبدلاً من ذلك، تعمل التجربة على تحويل الإلكترونات إلى غرفة تفريغ عملاقة، تسمى جهاز قياس الطيف. ينتج تيار كهربائي بعد ذلك مجالاً مغناطيسيًا قويًا جدًا لا يمكن أن يمر عبره سوى الإلكترونات ذات الطاقة الأعلى. في الطرف الآخر من تلك الغرفة يوجد جهاز يحسب عدد الإلكترونات التي تمر عبر هذا المجال. وقال روبرتسون إنه بينما تزيد KATRIN ببطء من قوة المجال المغنطيسي ، فإن عدد الإلكترونات التي تتدفق تتقلص - كما لو كانت تتلاشى على طول الطريق إلى الصفر. ، فإن عدد الإلكترونات التي تمر عبر تقلص، كما لو كانت ستتلاشى إلى الصفر. ولكن عند نهاية هذا الطيف من مستويات الطاقة الإلكترونية فإن شيئاً ما يحدث.




صورة توضيحية لمكونات الة كاترين - KATRIN
"يموت الطيف فجأة، قبل أن تصل إلى نقطة النهاية [حيث سيكون للإلكترونات كل الطاقة التي يتم إطلاقها في اضمحلال التريتيوم]، لأن كتلة النيوترينو لا يمكن سرقتها بواسطة الإلكترون. وقال روبرتسون "يجب أن يبقى دائما وراء النيوترينات". يجب أن تكون كتلة النيوترينو أقل من تلك الكمية الضئيلة من الطاقة المفقودة من طرف الطيف نفسه. وبعد عدة أسابيع من وقت التشغيل، ضيقت التجارب هذا الرقم إلى نحو نصف العدد الذي كان علماء الفيزياء يعرفون عنه سابقا.



النموذج القياسي ونظرية الفيزياء التي تصف عالم الذرة:



فكرة أن النيوترينات لديها كتلة على الإطلاق هي فكرة ثورية؛ وأشار روبرتسون إلى أن النموذج القياسي، وهو نظرية الفيزياء الأساسية التي تصف العالم دون الذري، أصر في يوم من الأيام على أن النيوترينات ليس لها كتلة على الإطلاق. في ثمانينيات القرن العشرين، كان الباحثون الروس والأميركيون يحاولون قياس الكتل النيوترونية، ولكن نتائجها كانت مثيرة للمشاكل وغير دقيقة. عند نقطة ما، ربط الباحثون الروس كتلة النيوترينو بدقة 30 إلكترون فولت، وهو رقم لطيف كان من شأنه أن يكشف النيوترينات باعتبارها الحلقة المفقودة التي كان من شأنها أن تفسر بنية الجاذبية الكبرى للكون، وملء كل الكتلة المفقودة ولكن تبين أن هذا خطأ.





بدأ روبرتسون وزملاؤه العمل لأول مرة مع التريتيوم الغازي بعد ذلك، بعد أن أدركوا أن المادة الإشعاعية الباهتة تقدم المصدر الأكثر دقة لتحلل النيوترونات المتاحة للعلم.

وقال روبرتسون "لقد كان ذلك بحثا طويلا". "كان القياس الروسي (غير الصحيح) البالغ (30 EV) مثيراً جداً لأنه كان سيغلق الكون بشكل جذبي. ولا يزال الأمر مثيرًا لهذا السبب. تلعب النيوترينات دورًا كبيرًا في علم الكونيات، وربما شكلت البنية الكبيرة للكون".



كل هذه الجزيئات الضعيفة التي تحلق حول سحب كل شيء آخر مع جاذبيتهم، وتأخذ وتعطي الطاقة من جميع المواد الأخرى. وقال روبرتسون انه مع انخفاض عدد الكتلة فان الدور الدقيق لهذه الجسيمات الصغيرة يصبح اكثر تعقيداً.



وقال الباحث إن رقم 1.1 قيمة تعريض، هو أمر مثير للاهتمام لأنه أول عدد كتلة نيوترينو مشتقة من التجارب لا يكون عاليًا بما يكفي لشرح بنية بقية الكون بمفرده.

وقال ايضاً "هناك أمر لا نعرف عنه بعد. هناك هذه المادة المظلمة"، ولا يمكن أن تكون مصنوعة من النيوترونات التي نعرفها، وعلى هذا فإن هذا العدد الصغير من غرفة التفريغ الضخمة في ألمانيا يضيف على أقل تقديردليل جديد الي الأدلة التي تؤكد أن الكون لديه عناصر لا تزال الفيزياء لا تفهمها الان.


للمزيد من المقالات الحصرية والمترجمة في مجال الفيزياء اضغط علي الرابط التالي:

مقالات علمية مترجمة