لماذا العلماء متحمسون للغاية بشأن “جسيم الأشباح” الأعلى طاقة على الإطلاق

عند الشراء من خلال روابط على مقالاتنا ، قد يكسب المستقبل وشركاء المشاركة في العمولة.

في وقت سابق من هذا العام ، وجد كاشف تحت الماء في البحر الأبيض المتوسط ​​النيوترينو الأكثر حيوية حتى الآن. وما زال العلماء يتحدثون عن ذلك لأنه ، حسنًا ، قد يكون هذا الاكتشاف أمرًا كبيرًا حقًا. لم يكن هذا النيوترينو ، المعروف أيضًا باسم “جسيم الأشباح” ، يفرون من انفجار أشعة جاما أو ثقب أسود فائق ، ولكن كان من الممكن أن ينتج عنه أيضًا شعاع كوني فائق القوة يتفاعل مع خلفية الميكروويف الكوني (CMB).

هذا الشيء الأخير الذي سنصل إليه قريبًا ، يمكن أن يكون ضخمًا. علاوة على ذلك ، فإن الكاشف الذي حدد هذا الجسيم لم يتم بناؤه بالكامل حتى الآن – بمجرد تجميعه ، من يعرف ما يمكن أن ينجزه. وقال بول دي جونغ من جامعة أمستردام لموقع KM3NET ، “نحن متحمسون لأننا لاحظنا هذا الحدث ونحن جائعون وفضوليون للمزيد”.

لبعض الخلفية ، النيوترينو تم اكتشاف في 13 فبراير 2023 من قبل الاتحاد الأوروبي بتمويل km3net، تلسكوب كيلومتر نيوترينو المكعب. النيوتريونات هي جزيئات شبحية لأن لديها كتلة قليلة للغاية ونادراً ما تتفاعل مع أشكال المادة الأخرى ، مما يجعلها من الصعب اكتشافها. تمر تريليونات النيوتريونات عبر جسمك كل ثانية ، ومع ذلك لا يمكنك معرفة ذلك. يجب على العلماء التحلي بالصبر لاكتشاف حتى نيوترينو واحد.

يتم وضع كاشفات النيوترينو الحديثة في الماء ، وخاصة في الظلام. في بعض الأحيان يتم عقد هذه المياه في خزان ، كما كان الحال مع مرصد Sudbury Neutrino في كندا ، وكذلك مع كاميوكاندي الفائقة في اليابان. في أوقات أخرى ، يتم تجميد الماء في الأرض ، كما في حالة Icecube Neutrino مرصد في القطب الجنوبي. ولكن من الممكن أيضًا أن يتم غمس أجهزة الكشف عن النيوترينو حرفيًا في البحر ، كما هو الحال مع KM3NET ، والتي تمتد بعمق تصل إلى 2.17 ميل (3.5 كيلومتر) أسفل الأمواج.

السبب في أهمية المياه هو أنه ، في بعض الأحيان ، سوف يتفاعل النيوترينو مع جزيء من الماء. يمكن أن تكون الطاقات المعنية كبيرة لدرجة أن الاصطدام يحطم جزيء الماء إلى حفنة من نوى الابنة والجزيئات ، وتحديداً muons. يسافر المونون بسرعة ، تقريبًا بسرعة كضوء في فراغ ، وبالتأكيد أسرع من الضوء من خلال الماء – يبطئ مؤشر الانكسار من الماء الضوء لأسفل إلى حوالي 738،188،976 قدمًا في الثانية (225،000،000 متر في الثانية) مقارنة بـ 983،571،056 قدمًا في الثانية (299،792،458 مترًا في الثانية) في الفئران. نظرًا لأن Muons يسافرون بشكل أسرع من الضوء في الماء ، فإنها تعطي ما يعادل طفرة صوتية في شكل وميض من الضوء. ويسمى هذا الضوء إشعاع cherenkov.

يتكون km3net من كاشفين. الأول ، الذي يسمى ORCA ، يبلغ ارتفاعه 8،038 قدمًا (2450 مترًا) في أعماق ساحل فرنسا وهو مصمم لدراسة كيفية تتأرجح النيوتريونات بين أنواع مختلفة من النيوتريونات. والآخر ، المعروف أيضًا باسم الكاشف الذي رصد النيوترينو النشط الجديد-الذي تم فهرسته باسم KM3-230213A-يسمى ARCA ويقع قبالة ساحل صقلية.

لا يزال كل من ARCA و ORCA قيد الإنشاء. عند اكتماله ، ستشمل ARCA 230 خطًا للكشف العمودي ينحدر إلى البحر. سيتم تصطف كل منها مع 18 وحدة بصرية تحتوي على 31 أنبوبًا ضوئيًا يمكن أن يكتشف وميض من إشعاع Cherenkov في الظلام في تلك الأعماق. في الوقت الذي اكتشفت فيه ARCA KM3-230213A ، كان 21 فقط من خطوط الكشف قيد التشغيل.

كان لدى Muon Arca الذي تم اكتشافه طاقة تبلغ 120 PEV (1000 تريليون ، أو رباعي المليون ، الإلكترون) ، مما يعني أن النيوترينو الذي أنتجت يجب أن يكون لديه طاقة قياسية تبلغ 220 PEV. هذا هو 100 مرة أكثر حيوية من الفوتونات ذات الضوء المرئي ، و 30 مرة أكثر حيوية من النيوترينو الذي يحمل سجل الطاقة السابق.

يمكن للموون أن يسافر عدة أميال عبر البحر قبل امتصاصه ، واكتشف KM3Net المانون الذي يسافر أفقياً بدلاً من مباشرة إلى قاع البحر.

وقال دي جونغ: “الاتجاه الأفقي على الموون هو وثيق الصلة للغاية”.

يمكن أيضًا تشكيل Muons في الأشعة الكونية spallation ، حيث تدخل شعاع كوني جو الأرض ويصطدم بجزيء أو ذرة ، وتحطيمها إلى دش من الجزيئات دون الذرية. يمكن أن تصل Muons التي تشكلت بهذه الطريقة إلى السطح أو الدخول إلى المحيط أثناء السفر لأسفل مباشرة – وليس أفقيًا. وقال دي يونغ إن الانتقال أفقياً ، يجب أن يكون المون قد تم إنشاؤه بالقرب من الكاشف ، والسيناريو الواقعي الوحيد هو أنه تم إنشاؤه بواسطة نيوترينو عالي الطاقة “.

النيوترينو من 220 PEV غير مسبوق. لا بيئة أو كائن معروف في لدينا درب التبانة مجرة يمكن أن ينتج النيوترينو مع الكثير من الطاقة. هذا يعني أن أصله يجب أن يكون خارجًا ، ربما تم إنشاؤه في عنف نجم ينفجر وإنتاج أ غاما أشعة الانفجارأو أ ثقب الأسود الفائق تمزيق أ نجم أو سحابة الغاز إلى تمزيق مع قوى المد والجزر الجاذبية. نظرًا لأن النيوتريونات لا تنحرف عن طريق الحقول المغناطيسية أو عن طريق الجاذبية ، فإن اتجاه السفر يؤدي إلى مصدرها.

وقال دي جونغ: “اتجاه مون متطابق تقريبًا مع اتجاه النيوترينو الأصلي ، حتى نتمكن من لعب لعبة توجيهها إلى أصلها الكوني”.

هذا الأصل في مكان ما في اتجاه كوكبة أوريون ، الصياد. ومع ذلك ، على الرغم من وجود العديد من المجرات النشطة ذات الثقوب السوداء الفائقة في تلك المنطقة ، لم يكن أي منها يعرض نشاطًا في الوقت الذي يمكن أن يفسر النيوترينو ، ولم يكن هناك انفجار جاما تم اكتشافه من هذا الاتجاه في ذلك الوقت.

ولكن احتمال آخر مثير للاهتمام هو أن KM3-230213A هو أول نيوترينو “الكوني” الذي يتم اكتشافه ، يتم إنتاجه عندما تحطمت شعاع كوني عالي الطاقة في فوتون ينتمي إلى خلفية الميكروويف الكونية، وهو الضوء المتبقي الذي صدر 379،000 عام بعد الانفجار العظيم.

سوف يتطلب الأمر أشعة كونية نشطة للغاية لتكون قادرة على إنتاج نيوترينو مثل KM3-230213A. تم اكتشاف الأشعة الكونية التي تزيد عن 100000 PEV من قبل أمثال مرصد بيير أوجر في الأرجنتين. أصولها غير مؤكدة ، ولكن من الناحية النظرية في كل مرة يواجه فيها مثل هذا الأشعة الكونية فوتون CMB ، يمكن أن ينتج التصادم النيوتريونات مثل KM3-230213A.

كلما زادت طاقة الأشعة الكونية ، زادت المقطع العرضي للتفاعل ، مما يعني أنها أكثر عرضة للتفاعل مع فوتونات CMB. التفاعلات المستمرة بين الأشعة الكونية وفوتونات CMB تبطئ الأشعة الكونية ، مما يحد من طاقتها الحركية. وهذا ما يسمى حد Greisen -Zatsepin -Kuzmin (GZK).

القصص ذات الصلة:

-يكتشف العلماء جسيم الأشباح أعلى طاقة على الإطلاق-من أين أتى؟

– الثقوب السوداء الخفيفة على النجوم الصغيرة تخلق مسرعات الجسيمات التي تقصف الأرض بأشعة كونية

– آينشتاين يفوز مرة أخرى! يجد الكواركات قوانين النسبية ،

إمكانية أن يثير النيوترينو الكوني دي جونغ. وقال “ستكون أول ملاحظة لنيوترينو الكوني ، وسيكون هذا هو التأكيد الأول لقطع GZK خارج الأشعة الكونية المشحونة-وحتى هناك الدليل غامض”.

علاوة على ذلك ، يمكن أن تكشف طاقة النيوتريونات الكونية عن خصائص هذه الأشعة الكونية عالية الطاقة. هذه المعلمة هي المفتاح لاكتشاف ما إذا كانت هذه الظواهر مصنوعة فقط البروتونات أو النوى الذرية الأثقل – وبالتالي ، ما ينتجهم. على الرغم من أن KM3-230213A كان النيوترينو الوحيد الذي تم اكتشافه بواسطة KM3NET ، سيكون هناك بلا شك الكثير أرض التي لا تكتشف. هل اكتشاف KM3NET المبكر مع ARCA Bode جيدًا لتكون قادرًا أخيرًا على اكتشاف مثل هذه النيوتريونات بشكل أكثر انتظامًا؟

“نأمل بالتأكيد ذلك!” قال دي جونغ. “لكن من الناحية الواقعية ، كانت تجارب أخرى مثل ICECube تأخذ بيانات لفترة أطول ولم تلاحظ مثل هذا الحدث ، لذلك كان من الممكن أن نكون محظوظين”.

تم وصف الاكتشاف في ورقة نشرت في 12 فبراير في المجلة طبيعة.