وجدت البحث عن جزيئات شبحية إشارات غريبة قادمة من الجليد في أنتاركتيكا. لا يزال العلماء يحاولون شرحهم

اشترك في النشرة الإخبارية لنظرية Wonder's Wonder Science. استكشف الكون بأخبار عن الاكتشافات الرائعة والتقدم العلمي والمزيد.

يحاول العلماء حل لغز مدته عقد من الزمان من خلال تحديد هوية الإشارات الشاذة التي تم اكتشافها من الجليد أدناه في أنتاركتيكا.

ظهرت موجات الراديو الغريبة أثناء البحث عن ظاهرة أخرى غير عادية: الجسيمات الكونية عالية الطاقة المعروفة باسم النيوتريونات. عند الوصول إلى الأرض من أقصى حدود الكون ، غالبًا ما يطلق على النيوتريونات “شبحية” لأنها متقلبة للغاية ، أو تبخير ، ويمكن أن تمر بأي نوع من المسألة دون تغيير.

على مدار العقد الماضي ، أجرى الباحثون تجارب متعددة باستخدام مساحات شاسعة من الماء والجليد المصممة للبحث عن النيوتريونات ، والتي يمكن أن تلقي الضوء على الأشعة الكونية الغامضة ، وهي الجسيمات الأكثر نشاطًا في الكون. كان أحد هذه المشاريع هو الهوائي العابر الاندفاعي في أنتاركتيك في ناسا ، أو أنيتا ، التي طارت البالونات التي تحمل أدوات فوق القارة القطبية الجنوبية بين عامي 2006 و 2016.

خلال هذا البحث ، التقطت أنيتا موجات إذاعية شاذة لا يبدو أنها نيوتريونات.

جاءت الإشارات من أسفل الأفق ، مما يشير إلى أنهم مروا بآلاف الأميال من الصخور قبل الوصول إلى الكاشف. ولكن كان ينبغي امتصاص موجات الراديو من قبل الصخرة. اعتقد فريق Anita أن هذه الإشارات الشاذة لا يمكن تفسيرها من خلال الفهم الحالي لفيزياء الجسيمات.

لم تتمكن ملاحظات المتابعة والتحليلات مع أدوات أخرى ، بما في ذلك واحدة أجراها مرصد بيير أوجر في الأرجنتين ، من العثور على نفس الإشارات. تم نشر نتائج تعاون Pierre Auger في Letters Physical Review Letters في مارس.

وقال ستيفاني ويسيل ، أستاذ مشارك في الفيزياء وعلم الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة ولاية بنسلفانيا ، إن أصل الإشارات الشاذة لا يزال غير واضح.

“تشير دراستنا الجديدة إلى أن مثل هذه الإشارات لم تُرى من خلال تجربة … مثل مرصد بيير أوجر” ، قال ويسيل. “لذلك ، لا يشير إلى أن هناك فيزياء جديدة ، بل المزيد من المعلومات لإضافتها إلى القصة.”

يقول العلماء إن الكشفات الأكبر والأكثر حساسية قد تكون قادرة على حل اللغز ، أو تثبت في النهاية ما إذا كانت الإشارات الشاذة كانت بمثابة صدفة ، مع مواصلة البحث عن النيوتريونات الغامضة ومصادرهم.

البحث عن النيوتريونات

يتيح اكتشاف النيوتريونات على الأرض للباحثين تتبعهم إلى مصادرهم ، والتي يعتقد العلماء أن الأشعة الكونية التي تضرب جو كوكبنا.

تتكون الأشعة الكونية الأكثر نشاطًا في الكون ، وهي تتكون في الغالب من البروتونات أو النوى الذرية ، وهي تطلق العنان في جميع أنحاء الكون لأن كل ما ينتجها هو تسارع جسيمات قوي لدرجة أنه يقلل من قدرات مصاعب Hadron الكبيرة. يمكن أن تساعد النيوتريونات علماء الفلك على فهم الأشعة الكونية بشكل أفضل وما يطلقهم عبر الكون.

لكن من الصعب العثور على النيوتريونات لأنها لا تحتوي على كتلة تقريبًا ويمكن أن تمر عبر البيئات الأكثر تطرفًا ، مثل النجوم والمجرات بأكملها ، دون تغيير. ومع ذلك ، يتفاعلون مع الماء والجليد.

وقال جاستن فاندنبروك ، أستاذ مشارك في الفيزياء بجامعة ويسكونسن ، ماديسون ، إن أنيتا صُممت للبحث عن أعلى طاقة نيوتريونات في الكون ، في طاقات أعلى مما تم اكتشافه بعد. وقال إن هوائيات الراديو التجربة تبحث عن نبض قصير من موجات الراديو التي تنتج عندما تصطدم النيوترينو بذرة في الجليد في أنتاركتيكا ، مما يؤدي إلى دش من جزيئات الطاقة المنخفضة.

خلال رحلاتها ، عثرت أنيتا على نوافير عالية الطاقة من الجزيئات القادمة من الجليد ، وهو نوع من الاستحمام رأسًا على عقب من الأشعة الكونية. يعتبر الكاشف أيضًا حساسًا للأشعة الكونية فائقة الطاقة التي تمطر على الأرض وتنشئ انفجارًا راديوًا يعمل مثل شعاع المصباح من موجات الراديو.

عندما تشاهد أنيتا شعاعًا كونيًا ، فإن شعاع المصباح هو في الحقيقة انفجار من موجات الراديو التي تبلغ مليار من فترة ثانية يمكن تعيينها مثل موجة لإظهار كيف تنعكس على الجليد.

شذوذ في البيانات

مرتين في بياناتهم من رحلات Anita ، رصد فريق التجربة الإشارات التي تمر عبر الجليد بزاوية أكثر حدة من أي وقت مضى من أي وقت مضى ، مما يجعل من المستحيل تتبع الإشارات إلى مصادرها الأصلية.

وقال ويسيل: “كانت موجات الراديو التي اكتشفناها منذ ما يقرب من عقد من الزوايا بزوايا شديدة الانحدار ، مثل 30 درجة تحت سطح الجليد”.

وقال Vandenbroucke إن النيوتريونات يمكن أن يسافر عبر الكثير من المواد ، ولكن ليس على طول الطريق عبر الأرض.

وكتب في رسالة بالبريد الإلكتروني: “من المتوقع أن يصلوا من الأفق بقليل ، حيث لا يوجد الكثير من الأرض ليتم امتصاصهم”. “الأحداث الشاذة أنيتا مثيرة للاهتمام لأنها يبدو أنها تأتي من أسفل الأفق ، لذلك سيتعين على النيوتريونات السفر عبر معظم الأرض. هذا غير ممكن وفقًا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.”

قام تعاون بيير أوجر ، الذي يضم مئات العلماء في جميع أنحاء العالم ، بتحليل بيانات أكثر من عقد من الزمان لمحاولة فهم الإشارات الشاذ التي اكتشفتها أنيتا.

استخدم الفريق أيضًا مرصدهم لمحاولة العثور على نفس الإشارات. مرصد Auger هو كاشف هجين يستخدم طريقتين للعثور على أشعة كونية ودراستها. تعتمد إحدى الطرق على إيجاد جزيئات عالية الطاقة أثناء تفاعلها مع الماء في الخزانات على سطح الأرض ، ويتتبع التفاعلات المحتملة الأخرى مع الضوء فوق البنفسجي في جو كوكبنا.

وقال بيتر جورهام ، أستاذ الفيزياء في جامعة هاواي في مانوا: “يستخدم مرصد Auger تقنية مختلفة تمامًا لمراقبة الاستحمام الهوائي الكوني للطاقة الفائقة ، وذلك باستخدام التوهج الثانوي للجزيئات المشحونة أثناء اجتيازهم الأجواء لتحديد اتجاه الشعاع الكوني الذي بدأها”. “من خلال استخدام محاكاة الكمبيوتر لما سيبدو عليه دش الجسيمات إذا كان قد تصرفت مثل الأحداث الشاذة ، فإنهم قادرون على إنشاء نوع من القالب لأحداث مماثلة ثم البحث عن بياناتهم لمعرفة ما إذا كان هناك شيء من هذا القبيل يظهر.”

صمم جورهام ، الذي لم يشارك في البحث الجديد ، تجربة أنيتا وأجرى أبحاثًا أخرى لفهم المزيد حول الإشارات الشاذة.

وقال فاندنبروكي إنه بينما تم تصميم مرصد Auger لقياس زخات الجسيمات التي تم إنتاجها في الغلاف الجوي التي تم إنتاجها في الغلاف الجوي من قبل أشعة كونية فائقة الطاقة ، أعاد الفريق تصميم تحليل البيانات الخاصة بهم للبحث عن زخات الهواء الصعودية. لم يعمل Vandenbroucke على الدراسة الجديدة ، لكنه قام بمراجعة الأقران قبل النشر.

وقال: “لدى أوجير منطقة جمع هائلة لمثل هذه الأحداث ، أكبر من أنيتا”. “إذا تم إنتاج الأحداث الشاذة من أنيتا بواسطة أي جسيم ينتقل عبر الأرض ثم إنتاج الاستحمام لأعلى ، فيجب أن يكتشف Auger الكثير منها ، ولم يفعل ذلك.”

دراسة متابعة منفصلة باستخدام تجربة ICECube ، التي تحتوي على أجهزة استشعار مضمنة في أعماق الجليد في أنتاركتيكا ، بحثت أيضًا عن الإشارات الشاذة.

وكتب Vandenbroucke ، الذي شغل منصب Colead لمجموعة عمل مصادر Icecube Neutrino بين عامي 2019 و 2022 ، “لأن Icecube حساسة للغاية ، إذا كانت الأحداث الشاذة أنيتا هي النيوتريونات ، فسنكتشفها”.

وقال ويسيل: “إنها مشكلة مثيرة للاهتمام لأننا لا نزال ليس لدينا بالفعل تفسير لماهية هذه الحالات الشاذة ، لكن ما نعرفه هو أنهم على الأرجح لا يمثلون النيوتريونات”.

من الغريب أن هناك نوعًا مختلفًا من النيوترينو ، الذي يطلق عليه Tau Neutrino ، هو إحدى الفرضيات التي طرحها بعض العلماء كسبب للإشارات الشاذة.

Tau النيوترونات يمكن أن تتجدد. عندما يتحللون في الطاقات العالية ، فإنهم ينتجون Tau Neutrino آخر ، بالإضافة إلى جسيم يسمى Tau Lepton – على غرار الإلكترون ، ولكن أثقل بكثير.

لكن ما يجعل سيناريو Tau Neutrino غير مرجح للغاية هو انحدار الزاوية المتصلة بالإشارة.

وقال ويسيل: “تتوقع أن تكون كل هذه النيوتريونات القريبة جدًا من الأفق ، مثل ربما واحد إلى خمس درجات تحت الأفق”. “هذه هي 30 درجة تحت الأفق. هناك الكثير من المواد. إنها في الحقيقة ستفقد الكثير من الطاقة ولا يمكن اكتشافها”.

مستقبل الكشف

في نهاية اليوم ، ليس لدى جورهام والعلماء الآخرين أي فكرة عن أصل أحداث أنيتا الشاذة. حتى الآن ، لا توجد تفسيرات تتطابق مع الإشارات ، وهو ما يجعل سحب العلماء مرة أخرى لمحاولة حل اللغز. الجواب قد يكون في الأفق ، ولكن.

تعمل Wissel أيضًا على كاشف جديد ، وهو الحمولة النافعة لملاحظات الطاقة العالية أو Pueo ، والتي ستطير فوق القارة القطبية الجنوبية لمدة شهر ابتداءً من شهر ديسمبر. وقال ويسيل إنه أكبر 10 مرات أكثر حساسية من أنيتا ، يمكن أن يكشف بويو عن مزيد من المعلومات حول سبب الإشارات الشاذة التي اكتشفتها أنيتا.

“في الوقت الحالي ، إنها واحدة من هذه الألغاز الطويلة الأمد” ، قال ويسيل. “أنا متحمس لأنه عندما نطير بويو ، سيكون لدينا حساسية أفضل. من حيث المبدأ ، يجب أن نكون قادرين على فهم هذه الحالات الشاذة التي ستقطع شوطًا طويلاً لفهم خلفياتنا والكشف عن النيوتريونات في المستقبل.”

قال جورهام إن بويو ، وهو اختصار يشير إلى بومة هاواي ، يجب أن يكون لديه حساسية لالتقاط العديد من الإشارات الشاذة ومساعدة العلماء على العثور على إجابة.

وقال ويسيل: “في بعض الأحيان عليك فقط العودة إلى لوحة الرسم ومعرفة ماهية هذه الأشياء حقًا”. “السيناريو الأكثر ترجيحًا هو أن بعض الفيزياء الدنيوية هي التي يمكن شرحها ، لكننا نطرق كل الأبواب لمحاولة معرفة ما هي عليه.”

لمزيد من الأخبار والنشرات الإخبارية CNN قم بإنشاء حساب في CNN.com