اكتشف علماء الفلك الذين يستخدمون مرصد آيس كيوب، المدفون عميقًا داخل جليد القطب الجنوبي، سبعة مرشحين بعيد المنال وغريبين لـ “الجسيمات الشبحية” أثناء تدفقهم عبر الأرض. تشير الإشارات إلى أن هذه الجسيمات هي نيوترينوات تاو فيزيائية فلكية؛ إنهم بمثابة رسل مهمين بين الأحداث السماوية القوية وعالية الطاقة وبيننا.
النيوترينوات هي جسيمات عديمة الشحنة والكتلة تقريبًا، وتنفجر عبر الكون بسرعات تقترب من سرعة الضوء. ومن الغريب أنه بسبب هذه العوامل، فإن النيوترينوات بالكاد تتفاعل مع أي شيء. في الواقع، يمر حوالي 100 تريليون منها عبر أجسامنا كل ثانية. لا يمكننا أن نقول. إذا كنت كاشفًا للنيوترينو بحجم الإنسان، فسيتعين عليك الانتظار حوالي 100 عام حتى يتفاعل النيوترينو مع جسيم في جسمك. ولذلك، لسبب وجيه، تُلقب النيوترينوات بـ “جسيمات الشبح”.
تسمى النيوترينوات عالية الطاقة القادمة من المصادر الكونية على حافة درب التبانة “النيوترينوات الفيزيائية الفلكية”، وهي تأتي بثلاث نكهات أو أجيال: نيوترينوات الإلكترون، ونيوترينوات الميون، ونيوترينوات التاو. كل هذه الجسيمات الوهمية بعيدة المنال بشكل لا يصدق، كما قد تتوقع، ولكن تحديدها هو مهمة IceCube. في عام 2013، اكتشف المرصد أول نيوترينوات فيزيائية فلكية، ويبدو الآن أنه اكتشف نيوترينوات تاو الفيزيائية الفلكية على وجه الخصوص والتي يمكن أن تكون بمثابة نوع جديد تمامًا من الرسائل الكونية.
متعلق ب: يمكن أن يكشف مستعر أعظم قريب عن الحياة السرية للنيوترينوات الشبحية. إليك الطريقة.
“إن اكتشاف سبعة أحداث محتملة لنيوترينو تاو في البيانات، بالإضافة إلى الكمية المنخفضة جدًا من الخلفية المتوقعة، يسمح لنا بالادعاء بأنه من غير المحتمل جدًا أن تتآمر الخلفيات لإنتاج سبعة نيوترينوات دجالة” دوج كوين، أحد المشاركين في الدراسة. وقال زعيم وأستاذ الفيزياء في جامعة ولاية بنسلفانيا في بيان. “إن اكتشاف نيوترينوات تاو الفيزيائية الفلكية يوفر أيضًا تأكيدًا قويًا على اكتشاف آيس كيوب السابق لتدفق النيوترينو الفيزيائي الفلكي المنتشر.”
محاصرين تحت الجليد
للكشف عن النيوترينوات أثناء مرورها عبر الأرض، يستخدم IceCube سلاسل من الكرات الذهبية تسمى الوحدات الضوئية الرقمية، أو DOMs، المدمجة في الجليد. في المجمل، يحتوي المرصد على 5160 DOMs مدفونة في أعماق جليد القطب الجنوبي، في انتظار تفاعل النيوترينوات مع الجزيئات الموجودة في الجليد وإنتاج جسيمات مشحونة. تبعث هذه الجسيمات المشحونة ضوءًا أزرق أثناء رحلتها عبر الجليد بنفسها، وتقوم وحدات DOM بتسجيل هذا الضوء.
وبشكل أكثر تحديدًا، عندما تتفاعل نيوترينوات تاو الفيزيائية الفلكية عالية الطاقة مع الجزيئات، فإنها تنتج انبعاثات ضوئية مميزة، بما في ذلك حدث متتالي مزدوج مميز ينتج ذروتين في مستويات الضوء التي تكتشفها DOMs.
في الماضي، تمكن آيس كيوب من التقاط تلميحات محيرة لبصمات تاو نيوترينو، لكن كوين وزملاؤه أرادوا حقًا تحديد الجسيمات بعيدة المنال.
يمكن اكتشاف نكهات النيوترينو الأخرى “في الوقت الفعلي” بواسطة IceCube، لكن المنشأة حاليًا لا يمكنها القيام بذلك مع نيوترينوات تاو. وبدلاً من ذلك، فإن صيد هذه الأشباح الكونية تحديدًا يتطلب دراسة عقد من البيانات الأرشيفية. ولكن بدلاً من الذهاب إلى مجموعة سكوبي دو الكاملة ومطاردة هذه الأشباح بأنفسهم، قام الفريق بتدريب ما يُعرف باسم “الشبكات العصبية التلافيفية المحسنة لتصنيف الصور” لفحص ما يقرب من 10 سنوات من بيانات IceCube التي تم جمعها بين عامي 2011 و 2020 للبحث عن الأشباح. توقيعات تاو نيوترينو.
وأدى ذلك إلى سبعة اكتشافات قوية لمرشح نيوترينو تاو.
ويحتفظ الفريق باحتمال أن تكون هذه الاكتشافات نتاج خطأ في التعرف، لكن كوين أوضح أن فرصة الخلفية التي اكتشفها DOM لمحاكاة هذه الإشارة هي 1 فقط من بين 3.5 مليون.
قصص ذات الصلة:
– “مصانع النيوترينو” قد تحمل حل لغز الأشعة الكونية
– التركيز على “الجسيم الشبح”: يضع العلماء حدًا أعلى لكتلة النيوترينوات
— تجربة مصادم الهادرونات الكبير تبحث في كتلة النيوترينو الصغيرة
استخدمت النتائج الحالية ثلاثة سلاسل فقط من كاشفات DOM، لكن التحليلات المستقبلية ستعتمد على المزيد من هذه اللآلئ الذهبية الجليدية. لن يؤدي هذا إلى زيادة عينة نيوترينوات التاو المكتشفة فحسب، بل قد يساعد العلماء أيضًا على إجراء أول دراسة على الإطلاق لتذبذبات النيوترينو على مدى ثلاثة أجيال. هذه هي الظاهرة التي من خلالها تقوم النيوترينوات بتبديل نكهاتها أثناء سفرها عبر مسافات كونية شاسعة.
يمكن أن يكون فهم تذبذبات النيوترينو هو المفتاح لتحديد كيفية توليد هذه الجسيمات الشبحية، وما هي الأحداث التي جعلتها تندفع عبر الفضاء في المقام الأول، والسبب وراء انتقالها إلى الأجيال التالية مع مرور الوقت.
وخلص كوين إلى القول: “بشكل عام، يأتي هذا الاكتشاف المثير مع إمكانية مثيرة للاهتمام للاستفادة من نيوترينوات تاو للكشف عن فيزياء جديدة”.
تم عرض بحث الفريق في مستودع الأوراق arXiv وتم قبوله للنشر في مجلة Physical Review Letters.