كاشف النيوترينو بحجم حقيبة السفر يضرب الأوساخ الناتجة عن مصادم هادرون الكبير

اكتشف فريق دولي بقيادة علماء الفيزياء في جامعة كاليفورنيا ، إيرفين (UCI) ، أول نيوترينو مرشّح على الإطلاق أنتجه مصادم الهادرون الكبير (LHC) التابع لـ CERN في سويسرا. تم اكتشاف النيوترينوات – وهي الجسيمات الأخف والأضعف المعروفة – من خلال أداة تجريبية صغيرة تقع على طول خط مماسي لحزمة مصادم البروتونات الرئيسية في LHC.

في ورقة نشرت للتو في المجلة مراجعة البدنية د، أوضح الفريق بالتفصيل كيف لاحظوا ستة تفاعلات نيوترينو خلال تشغيل تجريبي لتجربة البحث المتقدم (FASER) ، وهو كاشف مستحلب مضغوط تم تركيبه في LHC في عام 2018.

فيزياء الجسيمات ليست مادة محادثة في حفلات الكوكتيل. وما لم تكن تحضر ندوة دولية في الفيزياء ؛ مناقشة النيوترينوات وكتلها وأنواعها وأصولها تظل معقدة لعامة الناس مثل علم الكونيات ما قبل الانفجار العظيم. لكن من المحتمل أن تكون النيوترينوات حاسمة في تعقب الحقيقة المخفية والمراوغة للمادة المظلمة الغريبة. وهذا الاكتشاف الجديد هو خطوة في هذا الاتجاه.

“[This] يفتح نافذة جديدة ، “أخبرني جوناثان فينج ، الفيزيائي النظري من UCI وأحد مؤلفي الورقة المشاركين. يشتهر المصادم LHC باكتشاف بوزون هيغز ، ولكن لم يُعتقد أبدًا أنه مكان يمكن للمرء فيه اكتشاف النيوترينوات. بهذه النتيجة ، فتحنا مجالًا جديدًا تمامًا ، ألا وهو فيزياء النيوترينو عند المصادمات “.

يشرح فنغ أنه من خلال اكتشاف النيوترينوات المنتجة في المختبر ، فإننا نمتلك السيطرة الكاملة على ما يجري —- كيفية إنتاج الجسيمات وكيفية اكتشافها. وهذا يعني أنه يمكننا أن نكون حساسين للانحرافات الصغيرة القادمة من التأثيرات الجديدة التي قد تشير إلى قوانين جديدة للطبيعة ، كما يقول.

على النقيض من ذلك ، عندما يتم إنتاج النيوترينوات بشكل طبيعي في مكان آخر من الكون ، إذا رأى المرء شيئًا غريبًا ، فمن الصعب معرفة ما إذا كان ذلك بسبب قانون جديد للطبيعة أو مجرد سوء فهم للمصدر النهائي للنيوترينوات ، كما يقول فنغ.

يقول فنغ إن مصادمات الجسيمات تعمل منذ أكثر من 70 عامًا ، لكن لم يتمكن أي منها من اكتشاف النيوترينوات. لكن فينج يقول إنه في غضون شهر واحد ، تمكن هو وزملاؤه من اكتشاف ستة تفاعلات نيوترينو ؛ كل ذلك باستخدام كاشف بحجم حقيبة سفر مصنوعة من أجزاء معاد تدويرها.

تلتقط أداة الفريق FASERnu الجسيمات المنتجة على طول النقاط العمياء في خط حزمة البروتون للمصادم. واتضح أن هذا هو المكان الذي تذهب إليه معظم النيوترينوات عالية الطاقة ، وهي الأسهل للكشف عنها ، كما يقول فنغ. هذا هو أحد الأسباب التي جعلت هو وزملاؤه قادرين على اكتشاف النيوترينوات بمثل هذه الأداة الصغيرة ، كما يقول.

تم التنبؤ بالنيوترينوات لأول مرة في ثلاثينيات القرن العشرين لتفسير الانتهاك الواضح لقوانين الحفظ في تحلل بيتا المشع النووي ، كما أخبرني ديف كاسبر ، عالم الفيزياء التجريبية من UCI وأحد مؤلفي الورقة البحثية.

لكن لم يتم اكتشافها حتى الخمسينيات من القرن الماضي.

يقول كاسبر إن السبب في أن الأمر استغرق وقتًا طويلاً هو أن النيوترينوات تتفاعل بشكل ضعيف للغاية. لقد تطلب الأمر مفاعلًا نوويًا ، يتم فيه إنتاج النيوترينوات كمنتجات انشطارية نووية ، للحصول على عدد كافٍ من النيوترينوات لاكتشاف حفنة منها ، كما يقول.

في النهاية ثبت أن هناك ثلاثة أنواع أو “نكهات” مميزة من النيوترينوات. في البداية ، كان يُعتقد أن الجميع بلا كتلة. ومع ذلك ، في الثمانينيات من القرن الماضي ، كانت النيوترينوات مصممة على امتلاك بعض الكتلة ، ولكنها ليست كافية لتفسير المادة المظلمة الغريبة المفقودة.

يقول كاسبر إن للنيوترينوات كتل أصغر بمليون مرة من الجسيم الأثقل التالي (الإلكترون). يُعتقد أن التباين الشاسع في الكتلة بين النيوترينوات والجسيمات الأولية الأخرى هو دليل للفيزياء الجديدة ، كما يقول.

ما العلاقة بين النيوترينوات والمادة المظلمة؟

لا يمكن أن تكون النيوترينوات معظم المادة المظلمة – فهي لا تمتلك الخصائص الصحيحة ، كما يقول فنغ. ويقول إن النيوترينوات وجزيئات المادة المظلمة مرتبطة ببعضها البعض بمعنى أنها جسيمات ضعيفة التفاعل للغاية. لهذا السبب ، فإن التجارب الجيدة في العثور على النيوترينوات جيدة أيضًا في البحث عن بعض أنواع المادة المظلمة ، كما يشير فنغ.

على الرغم من التقدم في فهم النيوترينوات ، تظل الألغاز قائمة.

ما زلنا لا نعرف الخصائص الأساسية للنيوترينوات ، وكيف نفسر كتلة النيوترينو الصغيرة ، ولكن غير الصفرية ، أو حتى عدد أنواع النيوترينوات الموجودة ، كما يقول فنغ.

لكن الأمل هو أن أداة FASER الجديدة هذه ستدخل في تغيير جذري في فهمنا لفيزياء النيوترينو.

يقول كاسبر: لقد بدأنا في استغلال العدد الهائل من النيوترينوات عالية الطاقة الناتجة عن تصادمات المصادم LHC والتي “ضاعت” حتى الآن. ويشير إلى أن تجربة FASER ستستخدم صورًا ثلاثية الأبعاد عالية الدقة (بمقياس ميكرون) لتفاعلات النيوترينو التي ينتجها LHC.

ماذا بعد؟

بدءًا من عام 2022 ، سنقوم بتشغيل كاشف أكبر بكثير بوزن طن واحد والذي سيستمر لمدة ثلاث سنوات ، كما يقول فنغ. نتوقع اكتشاف 10000 من أعلى مستويات الطاقة التي أنتجتها التجارب البشرية على الإطلاق ، وهذا سيسمح لنا بدراسة خصائصها بدقة ، كما يقول.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *