تتسابق الصين والولايات المتحدة لحل لغز النيوترينوات، “الجسيمات الشبحية” للكون

الملخص

• تقترب الصين من الانتهاء من إنشاء منشأة متقدمة لقياس النيوترينوات، وهي أصغر الجسيمات دون الذرية المعروفة لدى الفيزيائيين.

• سيتم قريبًا إغلاق مجالها المركزي تحت الأرض ومليئًا بالسائل. قامت NBC News بجولة فيها قبل أن يحدث ذلك.

• مرصد النيوترينو هو الأول من بين ثلاثة مرصد من المتوقع افتتاحه في جميع أنحاء العالم في العقد المقبل، وهو يسبق مشاريع في اليابان والولايات المتحدة

مدينة الديك الذهبي، كايبينج، الصين – في كهف من الجرانيت يقع في أعماق التلال الحرجية في جنوب الصين، سوف يكمل العمال قريبًا جسمًا كرويًا يبلغ وزنه 600 طن يمكنه كشف بعض أعمق ألغاز الفيزياء الحديثة.

إن كرة الزجاج الشبكي هي محور مرصد جيانغمن للنيوترينو تحت الأرض، أو JUNO، وهو منشأة تبلغ تكلفتها 300 مليون دولار مصممة لقياس النيوترينوات، وهي أصغر الجسيمات دون الذرية المعروفة لدى الفيزيائيين.

تسمى النيوترينوات أحيانًا باسم “جسيمات الشبح”، وهي غير مرئية وعديمة الكتلة تقريبًا، وتنتقل بسرعة قريبة من سرعة الضوء. وهي تأتي في ثلاث حالات جماعية، أكبرها يقدر بواحد على المليون من كتلة الإلكترون. يمكن للنيوترينوات المرور عبر الأرض والمواد الأخرى دون التفاعل معها، وهو جزء كبير من السبب وراء بقائها بعيدة المنال حتى الآن بالنسبة للفيزيائيين.

إن فهمها يمكن أن يساعد في كشف الخلل المحير في قلب نظرية الانفجار الكبير: وفقًا للنموذج القياسي للفيزياء، كان من المفترض أن ينتج هذا الحدث كميات متساوية من المادة والمادة المضادة. لكن الأول أكثر وفرة بكثير، ولا يعرف العلماء السبب.

الهدف من JUNO ومراصد النيوترينو الأخرى المتوقع أن تصبح جاهزة للعمل في السنوات القادمة هو قياس الاختلافات بين كتل النيوترينوات. ونظرًا لأن الجزيئات صغيرة جدًا، فمن الصعب القيام بذلك بدقة. تم بناء جونو على عمق 2300 قدم تحت سطح الأرض، وذلك لحماية النيوترينوات قيد الدراسة من تداخل الأشعة الكونية.

يتطلب الوصول إلى مجال المرصد رحلة بطيئة بالتلفريك، الذي يزحف بسرعة حوالي 4 ميل في الساعة عبر نفق طويل منحدر محفور في الجرانيت. قبل بدء العمليات في العام المقبل، سيتم إغلاق الكرة والمنطقة تحت الأرض المحيطة بها وملؤها بالسائل – ولن يتم فتحها مرة أخرى أبدًا. انضمت NBC News إلى إحدى الجولات النهائية قبل حدوث ذلك.

كيفية الكشف عن النيوترينو

استغرقت رحلة التلفريك وصولاً إلى كرة جونو حوالي 15 دقيقة، مع أضواء بيضاء باردة تلقي بظلال متباينة على الصخر. وفي نهاية النفق، تم منح الزوار قبعات صلبة وبدلات بيضاء كاملة للجسم مع أحذية بلاستيكية لأقدامهم. ثم دخل كل منهم إلى وحدة منفاخ، حيث أرسلت المراوح نبضة من الهواء لتنظيف التلوث المحتمل.

داخل الكهف حيث تقع الكرة، تسلق العمال السور والعوارض وهم يحملون مصابيح يدوية وقاموا بمسح اللطخات. ترددت أصوات خرخرة الحفر على الجدران.

تمر تريليونات من النيوترينوات عبر أجسادنا كل ثانية. تنتجها الشمس من خلال الاندماج. وكذلك تفعل محطات الطاقة النووية. بعضها يأتي من انفجارات المستعرات الأعظم في الفضاء. تتزاوج النيوترينوات مع النيوترينوات المضادة، والتي يعتقد العلماء أنها تعكس سلوكها.

لذلك، تم تصميم JUNO لالتقاط مضادات النيوترينو، وتحديدًا تلك المنبعثة من محطتين للطاقة النووية على بعد حوالي 33 ميلًا من المرصد.

وقال وانغ ييفانغ، رئيس المشروع ومدير المعهد الصيني لفيزياء الطاقة العالية، إن كرة جونو، التي يبلغ ارتفاعها 13 طابقا، ستمتلئ بسائل خاص يسمى “الوميض” وسيتم غمرها في أسطوانة من الماء النقي.

عندما تمر النيوترينوات المضادة إلى السائل، فإنها ستطلق عمليات كيميائية ستنتج لمحة قصيرة من الضوء، والتي يمكن التقاطها بواسطة أجهزة الاستشعار المبطنة للكرة.

قال وانغ، وهو يرتدي قبعة صلبة بينما كان العمال خلفه يقومون بتركيب الأنابيب: “سيؤدي هذا الحدث إلى إطلاق وميض يستمر حوالي 5 نانو ثانية فقط، ونأمل في التقاطه باستخدام آلاف الأنابيب المضخمة الضوئية المحيطة بالكرة”. “نأمل أن نسجل 60 حدثًا يوميًا.”

وبفضل هذا النهج، ينبغي أن تكون جونو قادرة على قياس الاختلافات في كتل النيوترينوات المضادة بشكل أفضل بحوالي 10 مرات من المعدات السابقة.

الأول من بين ثلاثة مراصد نيوترينو جديدة

تعد JUNO جزءًا من جهود الصين الطموحة لتصبح قوة علمية عالمية. وفي خطاب ألقاه هذا العام، وضع الرئيس شي جين بينغ خططًا لتحويل البلاد إلى عملاق العلوم والتكنولوجيا بحلول عام 2035.

من المتوقع أن تكون JUNO هي الأولى من بين ثلاثة مراصد للنيوترينو من الجيل التالي سيتم افتتاحها في السنوات العشر القادمة، مما يجعلها بمثابة نقطة حرب في عصر جديد في الفيزياء. وفي اليابان، من المقرر افتتاح مرصد هايبر كاميوكاندي في عام 2027. ويدعو برنامج تدعمه الولايات المتحدة يسمى تجربة النيوترينو العميق تحت الأرض، أو DUNE، إلى إنشاء مسرع للجسيمات لإرسال شعاع من النيوترينوات تحت الأرض من إلينوي إلى داكوتا الجنوبية بدءًا من عام 2020. 2031.

وتخطط المراصد الثلاثة المقبلة لاستخدام تقنيات مختلفة للكشف عن الجسيمات، لذا فهي مكملة ومتنافسة في الوقت نفسه. ويتضمن كل منها تعاونًا دوليًا مترامي الأطراف مصممًا لدفع هذا المجال إلى الأمام، وإنتاج تقنيات فرعية جديدة، وتدريب موجة جديدة من العلماء.

وقال كريس مارشال، أستاذ مساعد في الفيزياء بجامعة روتشستر، والذي يعمل في مشروع DUNE: “ليس من المستبعد أن نلاحظ شيئًا غير متوقع عندما نقوم بتشغيل هذه التجارب”. “إن محاولة استخلاص هذه التأثيرات المعقدة حقًا… ستتطلب إجراء تجارب متعددة تقيس الأشياء بطرق مختلفة.”

وإلى حد ما، فإن قدرة كل مرصد على الإجابة على الأسئلة الفيزيائية الرئيسية سوف تعتمد على مدى قدرة الباحثين على العمل بين المشاريع، ومع بعضهم البعض. لكن القلق يتزايد بين بعض العلماء في جميع أنحاء العالم من أن التوترات الجيوسياسية المتزايدة بين الولايات المتحدة والصين – وما ينتج عن ذلك من توتر في علاقتهما العلمية – يمكن أن تعيق التقدم.

في السنوات الأخيرة، اتبعت الولايات المتحدة سياسات تهدف إلى منع العلماء الصينيين من نقل التكنولوجيا الموجودة في الولايات المتحدة إلى وطنهم ومنع الصين من الصيد غير المشروع للمواهب العلمية البارزة.

قال وانغ إن الولايات المتحدة رفضت طلباته للحصول على تأشيرة في عامي 2022 و2023، دون تفسير، وأنها حدت من مشاركة الولايات المتحدة في JUNO.

وقال: “في العلوم، التعاون والمنافسة أمر جيد، ولكن لا ينبغي أن تكون المنافسة فقط”.

وقال العلماء المقيمون في الولايات المتحدة إنهم لاحظوا حواجز جديدة أمام العمل مع العلماء الصينيين أيضًا.

وقال باتريك هوبر، مدير مركز فيزياء النيوترينو التابع لجامعة فرجينيا للتكنولوجيا، في رسالة بالبريد الإلكتروني: “من الجانب الأمريكي، أصبح من الصعب الحصول على تمويل للتعاون مع الزملاء الصينيين، وأصبح من الصعب إلى حد ما على زملائنا الصينيين الحصول على تأشيرة دخول إلى الولايات المتحدة”. .

وقال إجناسيو تابوادا، أستاذ الفيزياء في جامعة جورجيا للتكنولوجيا والذي يساعد في قيادة مرصد النيوترينو الموجود في القطب الجنوبي: “ليس من المستحيل التعاون مع العلماء الصينيين، بل إن الأمر يزداد صعوبة أكثر فأكثر”.

حل ألغاز النيوترينوات

يمكن للبيانات التي تم إنشاؤها في JUNO أن تقطع شوطا طويلا نحو حل الألغاز الرئيسية حول كيفية وسبب تغير شكل النيوترينوات أكثر من الجسيمات دون الذرية الأخرى.

يمكن للنيوترينوات أن تتأرجح، أو تتحول، بين ثلاث ما يسمى “النكهات” أثناء انتقالها – الميون، والتاو، والإلكترون. ترسل الشمس، على سبيل المثال، نيوترينوات إلكترونية نحو الأرض، لكنها تصل في بعض الأحيان على شكل نيوترينوات ميونية. عندما تتفاعل النيوترينوات – وهو ما يحدث نادرًا – فإنها تستقر على نكهة معينة.

بالإضافة إلى ذلك، يعتقد العلماء أن النيوترينوات تنتقل كواحدة من ثلاث حالات جماعية مختلفة وأن هذه الحالات تساعد في تحديد احتمالية تفاعل النيوترينو كنكهة معينة. لكن ليس من الواضح بعد أي الولايات لديها أكبر كتلة.

ويعتقد العلماء أيضًا أن النيوترينوات والنيوترينوات المضادة قد تتشكل بشكل مختلف أثناء انتقالها، وأن هذه الاختلافات قد تكون مسؤولة عن جزء من عدم التوازن في الفيزياء بين المادة والمادة المضادة في الكون.

إذا كان الأمر كذلك، فإن تعلم المزيد عن كتل وتذبذبات النيوترينوات والنيوترينوات المضادة يمكن أن يساعد الباحثين على فهم ما إذا كان النموذج القياسي للفيزياء – كتاب قواعد الجسيمات وكيفية تفاعلها – يفتقد صفحات أو ما إذا كانت الجسيمات أو القوى غير المعروفة سابقًا قد تلعب دورًا غير مرئي. دور.

قال سيرجيو بيرتولوتشي، عالم فيزياء الجسيمات الإيطالي والمتحدث المشارك باسم DUNE: “نظريتنا الجميلة للواقع، النموذج القياسي، ليست النظرية النهائية”. “لقد اكتشفنا أننا بحاجة إلى معرفة المزيد عن النيوترينوات للإجابة على الأشياء التي لا يستطيع النموذج القياسي الإجابة عليها.”

يريد وانج أن تفوز JUNO بالسباق لتحديد التسلسل الهرمي الشامل للنيوترينوات، قبل الولايات المتحدة ودول أخرى.

“نريد فقط أن نكون علماء جيدين. في العلم، أن تكون الأول هو الأهم. قال: “أن تكون في المركز الثاني لا شيء”. “كعالم، لا أستطيع أن أكون مجرد تابع طوال الوقت. أريد أن أملك خاصتي.”

إذا قامت JUNO بشرح قصة كتل النيوترينو قبل ظهور DUNE، فسيكون المشروع الذي تقوده الولايات المتحدة قادرًا على قياس السؤال بشكل مختلف وتأكيد نتائج JUNO.

تتمثل خطة DUNE في قياس النيوترينوات أثناء مغادرتها منشأة في إلينوي، وبعد ذلك ستسافر مسافة 800 ميل عبر الأرض، حيث ستكون قادرة على التفاعل والتأرجح. بمجرد وصولهم إلى داكوتا الجنوبية وإمكانية اكتشافهم، يجب أن يكون العلماء قادرين على مقارنة مزيج نكهات النيوترينو في بداية ونهاية رحلتهم. لكن المشروع واجه تأخيرات وتجاوزات في التكاليف.

وقال بيدرو أوتشوا ريكو، الأستاذ: “إن مجموعة بيانات جونو الغنية، والتي ستكون فريدة من نوعها… ستلعب دورًا رئيسيًا في مساعدتنا في تحديد الترتيب الجماعي قبل عام 2030، إما بمفردها أو بالاشتراك مع تجارب أخرى”. الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا، إيرفين.

ومع ذلك، اعترف العديد من العلماء الذين يقفون وراء مشاريع مرصد النيوترينو، أنه من المستحيل التنبؤ بالفوائد العملية والأرضية للبحث. واقترحوا أنه في المستقبل، يمكن أن تنتج تقنيات جديدة، وتدفع الابتكارات في مجال الحوسبة كثيفة البيانات، وتقدم علوم مسرعات الجسيمات.

“إذا قمت بتحسين شمعة، فلن تتمكن أبدًا من صنع مصباح كهربائي، لذا فأنت بحاجة إلى خطوة. قال برتولوتشي: “أنت بحاجة إلى انقطاع”. “البحث الأساسي هو في الأساس مولد للانقطاعات.”

وعبّر وانج عن الأمر بطريقة أخرى، عازيًا عمله إلى الفضول الخالص: «أنا منخرط في علوم «عديمة الفائدة»».

تصحيح (31 أكتوبر 2024 الساعة 5:25 مساءً بالتوقيت الشرقي): نسخة سابقة من هذه المقالة أخطأت في نسب اقتباس. لقد كان سيرجيو برتولوتشي، وليس ماري بيشاي، هو الذي قال: “إذا قمت بتحسين شمعة، فلن تصنع مصباحًا كهربائيًا أبدًا، لذا فأنت بحاجة إلى خطوة”. (كل من برتولوتشي وبيشاي متحدثان باسم مشروع DUNE).

تم نشر هذه المقالة في الأصل على موقع NBCNews.com