يمر عبرك حوالي تريليون جسيم صغير يسمى النيوترينوات كل ثانية. تم إنشاء هذه النيوترينوات “الآثار” أثناء الانفجار الكبير، وهي موجودة في جميع أنحاء الكون بأكمله، لكنها لا تستطيع أن تؤذيك. في الواقع، من المحتمل أن يقوم واحد منهم فقط بالنقر بخفة على ذرة في جسمك طوال حياتك بأكملها.
تحتوي معظم النيوترينوات التي تنتجها أجسام مثل الثقوب السوداء على طاقة أكبر بكثير من بقايا النيوترينوات العائمة في الفضاء. على الرغم من ندرة هذه النيوترينوات النشطة، إلا أنها أكثر عرضة للاصطدام بشيء ما وإنشاء إشارة يمكن للفيزيائيين مثلي اكتشافها. ولكن للكشف عنها، كان على فيزيائيي النيوترينو أن يبنوا تجارب كبيرة جدًا.
قامت إحدى هذه التجارب، وهي IceCube، بتوثيق نوع نادر بشكل خاص من النيوترينو الفيزيائي الفلكي النشط بشكل خاص في دراسة نُشرت في أبريل 2024. غالبًا ما تتنكر هذه النيوترينوات النشطة في شكل أنواع أخرى أكثر شيوعًا من النيوترينو. لكن للمرة الأولى، تمكنت أنا وزملائي من اكتشافها، واستخرجنا عددًا قليلًا منها من بيانات عمرها 10 سنوات تقريبًا.
إن وجودها يضع الباحثين مثلي على بعد خطوة واحدة من كشف لغز كيفية إنتاج الجسيمات عالية الطاقة مثل النيوترينوات الفيزيائية الفلكية في المقام الأول.
مرصد آيس كيوب
مرصد آيس كيوب نيوترينو هو غوريلا تزن 800 رطل من تجارب النيوترينو الكبيرة. يحتوي على حوالي 5000 جهاز استشعار يراقب باهتمام جيجا طن من الجليد تحت القطب الجنوبي لأكثر من عقد من الزمن. عندما يصطدم النيوترينو بذرة في الجليد، فإنه ينتج كرة من الضوء تسجلها أجهزة الاستشعار.
اكتشف آيس كيوب النيوترينوات التي تم إنشاؤها في عدة أماكن، مثل الغلاف الجوي للأرض، ومركز مجرة درب التبانة، والثقوب السوداء في مجرات أخرى على بعد العديد من السنوات الضوئية.
لكن نيوترينو تاو، وهو أحد أنواع النيوترينو النشطة بشكل خاص، لم يتمكن آيس كيوب من الوصول إليه حتى الآن.
نكهات النيوترينو
تأتي النيوترينوات في ثلاثة أنواع مختلفة، والتي يسميها الفيزيائيون النكهات. تترك كل نكهة بصمة مميزة على كاشف مثل IceCube.
عندما يصطدم النيوترينو بجسيم آخر، فإنه عادة ما ينتج جسيمًا مشحونًا يتوافق مع نكهته. وينتج نيوترينو الميون ميونًا، وينتج نيوترينو الإلكترون إلكترونًا، وينتج نيوترينو التاو تاو.
تتمتع النيوترينوات ذات نكهة الميون بالتوقيع الأكثر تميزًا، لذلك قمت أنا وزملائي في تعاون IceCube بالبحث بشكل طبيعي عن تلك العناصر أولاً. سوف ينتقل الميون المنبعث من اصطدام نيوترينو الميون عبر مئات الأمتار من الجليد، مما يشكل مسارًا طويلًا من الضوء القابل للاكتشاف، قبل أن يضمحل. يسمح هذا المسار للباحثين بتتبع أصل النيوترينو.
نظر الفريق بعد ذلك إلى نيوترينوات الإلكترون، التي تنتج تفاعلاتها كرة ضوئية كروية تقريبًا. الإلكترون الناتج عن اصطدام نيوترينو الإلكترون لا يضمحل أبدًا، ويصطدم بكل جسيم في الجليد يقترب منه. يترك هذا التفاعل كرة من الضوء متوسعة في أعقابه قبل أن يستقر الإلكترون في النهاية.
ونظرًا لصعوبة تحديد اتجاه نيوترينو الإلكترون بالعين المجردة، فقد طبق فيزيائيو آيس كيوب تقنيات التعلم الآلي للإشارة إلى المكان الذي ربما تكونت فيه نيوترينوات الإلكترون. تستخدم هذه التقنيات موارد حسابية متطورة وتضبط ملايين المعلمات لفصل إشارات النيوترينو من جميع الخلفيات المعروفة.
أما النكهة الثالثة للنيوترينو، وهي تاو نيوترينو، فهي حرباء الثلاثي. يمكن أن يظهر أحد نيوترينو تاو كمسار للضوء، بينما يمكن أن يظهر الآخر على شكل كرة. يسافر جسيم تاو الناتج عن الاصطدام لجزء صغير من الثانية قبل أن يتحلل، وعندما يتحلل فإنه عادة ما ينتج كرة من الضوء.
تخلق نيوترينوات تاو كرتين من الضوء، واحدة حيث تصطدم في البداية بشيء ما وتنتج تاو، والأخرى حيث يتحلل تاو نفسه. في معظم الأحيان، يضمحل جسيم تاو بعد انتقاله لمسافة قصيرة جدًا، مما يجعل كرتي الضوء تتداخلان كثيرًا بحيث لا يمكن تمييزهما عن كرة واحدة.
لكن عند الطاقات الأعلى، يمكن لجسيم تاو المنبعث أن يسافر عشرات الأمتار، مما يؤدي إلى كرتين من الضوء منفصلتين عن بعضهما البعض. يمكن للفيزيائيين المسلحين بتقنيات التعلم الآلي أن يروا من خلال ذلك للعثور على الإبرة في كومة القش.
نيوترينوات تاو النشطة
باستخدام هذه الأدوات الحسابية، تمكن الفريق من استخراج سبعة نيوترينوات تاو مرشحة بقوة من حوالي 10 سنوات من البيانات. تمتلك هذه التاوات طاقات أعلى حتى من أقوى مسرعات الجسيمات على الأرض، مما يعني أنها يجب أن تكون من مصادر فيزيائية فلكية، مثل الثقوب السوداء.
تؤكد هذه البيانات اكتشاف آيس كيوب السابق للنيوترينوات الفيزيائية الفلكية، وتؤكد تلميحًا إلى أن آيس كيوب التقط سابقًا نيوترينوات تاو الفيزيائية الفلكية.
تشير هذه النتائج أيضًا إلى أنه حتى عند الطاقات الأعلى وعلى مسافات شاسعة، تتصرف النيوترينوات بنفس الطريقة التي تتصرف بها عند الطاقات المنخفضة.
على وجه الخصوص، يؤكد اكتشاف نيوترينوات تاو الفيزيائية الفلكية أن النيوترينوات النشطة القادمة من مصادر بعيدة تغير نكهتها أو تتأرجح. والنيوترينوات ذات الطاقات الأقل بكثير والتي تسافر لمسافات أقصر بكثير تتأرجح أيضًا بنفس الطريقة.
ومع قيام IceCube وتجارب النيوترينو الأخرى بجمع المزيد من البيانات، وتحسن العلماء في التمييز بين نكهات النيوترينو الثلاثة، سيتمكن الباحثون في النهاية من تخمين كيفية إنتاج النيوترينوات القادمة من الثقوب السوداء. نريد أيضًا معرفة ما إذا كان الفضاء بين الأرض ومسرعات النيوترينو الفيزيائية الفلكية البعيدة يتعامل مع الجسيمات بشكل مختلف اعتمادًا على كتلتها.
سيكون هناك دائمًا عدد أقل من نيوترينوات التاو النشطة وأبناء عمومتها من الميونات والإلكترونات مقارنة بالنيوترينوات الأكثر شيوعًا التي تأتي من الانفجار الكبير. ولكن هناك ما يكفي لمساعدة العلماء مثلي في البحث عن أقوى بواعث النيوترينو في الكون ودراسة الفضاء اللامحدود بينهما.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: دوغ كوين، ولاية بنسلفانيا
اقرأ أكثر:
يتلقى دوج كوين تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم.