بقلم ويل دنهام
واشنطن (رويترز) – النيوترينوات هي جسيمات صغيرة يمكنها المرور عبر كل شيء، ونادرا ما تتفاعل مع المادة. إنها الجزيئات الأكثر وفرة في الكون، وتريليونات منها تخترق أجسادنا كل ثانية دون أن نلاحظ. ومع ذلك، لا يزال العلماء يكافحون من أجل فهمها.
تقدم الآن دراسة جديدة تجمع بين نتائج تجربتين رئيسيتين للنيوترينو في اليابان والولايات المتحدة بعضًا من أفضل المعلومات حتى الآن حول هذه الجسيمات الشبحية.
النيوترينوات، التي تتشكل في أماكن مثل قلب الشمس والنجوم المتفجرة، تأتي في ثلاثة أنواع، أو “نكهات”، ويمكن أن تتغير من واحد إلى آخر – يسمى التذبذب – أثناء سفرها. تقدم الدراسة الجديدة نظرة ثاقبة حول الفرق في الكتلة بين أنواع النيوترينو، وهو سؤال رئيسي لم تتم الإجابة عليه.
النيوترينوات هي جسيمات أولية، مما يعني أنها لا تتكون من أي شيء أصغر، مما يجعلها واحدة من لبنات البناء الأساسية للكون. وعلى عكس بعض الجسيمات الأخرى مثل البروتونات والإلكترونات، تفتقر النيوترينوات إلى أي شحنة كهربائية.
فلماذا من المهم أن نفهم النيوترينوات؟ وقد تكون المفتاح لحل بعض الألغاز المتعلقة بالكون، مثل أصل المادة وانتشارها في الكون على نظيرتها من المادة المضادة، وطبيعة المادة المظلمة والطاقة المظلمة، والعمل الداخلي للمستعرات الأعظم.
ترسل تجربة NOvA شعاعًا تحت الأرض من النيوترينوات على بعد حوالي 500 ميل (810 كم) من مصدرها في مختبر مسرع فيرمي الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بالقرب من شيكاغو إلى كاشف في آش ريفر، مينيسوتا. ترسل تجربة T2K شعاعًا من النيوترينوات لمسافة حوالي 185 ميلًا (295 كم) عبر القشرة الأرضية من مصدرها في بلدة توكاي الساحلية اليابانية إلى كاشف في مدينة كاميوكا.
تستكشف كلتا التجربتين تذبذب النيوترينو، لكنهما تستخدمان طاقات نيوترينو مختلفة، ومسافات مختلفة، وكواشف مصممة بشكل مختلف. ومن خلال الجمع بين النتائج التي تم التوصل إليها منذ ما يقرب من عقد من عمليات رصد NOvA وT2K، حقق الباحثون خطوات واسعة في فهم النيوترينوات، والتي تم تقديمها في دراسة نشرت يوم الأربعاء في مجلة Nature.
وقال كيندال ماهن Kendall Mahn، عالم الفيزياء في جامعة ولاية ميشيغان، المتحدث الرسمي باسم فريق بحث T2K: “في الظاهر، كانت هناك تساؤلات حول ما إذا كانت نتائج T2K وNOvA متوافقة أم لا. لقد علمنا أنهما متوافقان للغاية”.
ولا يعرف العلماء كتلة الأنواع الثلاثة من النيوترينوات أو حتى أي منها هي الأخف، وهي مسألة يطلق عليها العلماء “الترتيب الشامل للنيوترينوات” والتي لها آثار كبيرة على الفيزياء.
قالت زويا فالاري Zoya Vallari، عالمة الفيزياء في جامعة ولاية أوهايو وعالمة NOvA: “بينما سيتعين علينا الانتظار لفترة أطول قليلاً لمعرفة أي النيوترينو هو الأخف وزنًا، فقد قامت هذه الدراسة بقياس فجوة الكتلة الصغيرة بين اثنين من النيوترينوات الثلاثة بدقة غير مسبوقة – أقل من 2٪ من عدم اليقين – مما يجعلها واحدة من أكثر القياسات دقة لهذه المعلمة على الإطلاق”.
وتتعمق التجربتان أيضًا فيما إذا كانت النيوترينوات والجسيمات المقابلة لها، والتي تسمى النيوترينوات المضادة، تتغير من نوع إلى آخر بشكل مختلف عن بعضها البعض.
قال فالاري: “هذا السؤال مهم بشكل خاص لأنه قد يساعد في تفسير أحد أكبر الألغاز في الفيزياء: لماذا يتكون الكون في الغالب من مادة بدلاً من المادة المضادة. في الانفجار الكبير، كان من المفترض أن تكون المادة والمادة المضادة موجودتين بكميات متساوية ودمرتا بعضهما البعض. ولكن بطريقة ما، انتصرت المادة، ونحن هنا بسبب ذلك”.
قال فالاري إن الإجابة على الأسئلة الأساسية حول الكون تتطلب دقة عالية للغاية وثقة إحصائية، وهناك جيل آخر من تجارب النيوترينو الكبيرة يلوح في الأفق.
تجربة DUNE التي يقودها Fermilab قيد الإنشاء في إلينوي وجنوب داكوتا. Hyper-Kamiokande قيد الإنشاء في محافظة جيفو اليابانية. وتشمل الجهود الأخرى الجارية بالفعل مشروعًا في الصين يسمى JUNO والتلسكوبات التي تلتقط النيوترينوات القادمة من الفضاء مثل KM3NeT وIceCube.
وقال ماهن: “للنيوترينوات خصائص فريدة، وما زلنا نتعلم الكثير عنها”.
(تقرير بواسطة ويل دنهام، تحرير دانيال واليس)