النيوترينو هو جسيم أولي مشابه جدًا للإلكترون ، ولكن لا يحتوي على شحنة كهربائية. لها كتلة صغيرة جدًا ، قد تكون صفرًا. تعتمد سرعة النيوترينو أيضًا على الكتلة. الفرق في وقت وصول الجسيم والضوء هو 0.0006٪ (± 0.0012٪). في عام 2011 ، خلال تجربة OPERA ، وجد أن سرعة النيوترينوات تتجاوز سرعة الضوء ، لكن التجربة المستقلة لم تؤكد ذلك.
الجسيم المراوغ
هذه واحدة من أكثر الجسيمات شيوعًا في الكون. نظرًا لأنه لا يتفاعل كثيرًا مع المادة ، فمن الصعب للغاية اكتشافه. لا تشارك الإلكترونات والنيوترينوات في التفاعلات النووية القوية ، ولكنها تشارك بشكل متساوٍ في التفاعلات الضعيفة. تسمى الجسيمات التي لها هذه الخصائص اللبتونات. بالإضافة إلى الإلكترون (وجسيمه المضاد ، البوزيترون) ، تشتمل اللبتونات المشحونة على الميون (200 كتلة إلكترون) ، والتاو (3500 كتلة إلكترون) ، والجسيمات المضادة. يطلق عليهم كذلك: نيوترينوات الإلكترون والميون والتاو. لكل منها مكون مضاد للمواد يسمى مضادات النيترينو.
Muon و tau ، مثل الإلكترون ، لهما جزيئات مصاحبة لهما. هذه هي نيوترينوات الميون والتاو. تختلف الأنواع الثلاثة من الجسيمات عن بعضها البعض.على سبيل المثال ، عندما تتفاعل نيوترينوات الميون مع هدف ، فإنها تنتج الميونات دائمًا ، ولا تنتج أبدًا تاو أو إلكترونات. في تفاعل الجسيمات ، على الرغم من إمكانية تكوين الإلكترونات والنيوترينوات الإلكترونية وتدميرها ، إلا أن مجموعها يظل دون تغيير. تؤدي هذه الحقيقة إلى تقسيم اللبتونات إلى ثلاثة أنواع ، كل منها يحتوي على لبتون مشحون ونيوترينو مصاحب.
هناك حاجة إلى كاشفات كبيرة جدًا وحساسة للغاية لاكتشاف هذا الجسيم. عادةً ما تسافر النيوترينوات منخفضة الطاقة عدة سنوات ضوئية قبل التفاعل مع المادة. وبالتالي ، تعتمد جميع التجارب الأرضية معهم على قياس تفاعلهم مع الكسور الصغيرة مع مسجلات ذات حجم معقول. على سبيل المثال ، في مرصد Sudbury Neutrino ، الذي يحتوي على 1000 طن من الماء الثقيل ، يمر حوالي 1012 نيوترينو شمسي في الثانية عبر الكاشف. ويتم العثور على 30 فقط في اليوم.
تاريخ الاكتشاف
افترض وولفجانج باولي وجود الجسيم لأول مرة في عام 1930. نشأت مشكلة في ذلك الوقت لأنه بدا أن الطاقة والزخم الزاوي لم يتم حفظهما في اضمحلال بيتا. لكن باولي أشار إلى أنه في حالة انبعاث جسيم نيوترينو محايد غير متفاعل ، فسيتم مراعاة قانون الحفاظ على الطاقة. طور الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي نظرية اضمحلال بيتا عام 1934 وأعطى الجسيم اسمه.
على الرغم من كل التوقعات ، لمدة 20 عامًا لم يتم الكشف عن النيوترينوات تجريبياً بسبب ضعف تفاعلها مع المادة. لأن الجسيمات ليست كهربائيةمشحونة ، فهي لا تتأثر بالقوى الكهرومغناطيسية ، وبالتالي فهي لا تسبب تأين المادة. بالإضافة إلى ذلك ، يتفاعلون مع المادة فقط من خلال تفاعلات ضعيفة ذات قوة ضئيلة. لذلك ، فهي أكثر الجسيمات دون الذرية اختراقًا ، وقادرة على المرور عبر عدد كبير من الذرات دون التسبب في أي تفاعل. فقط 1 من كل 10 مليارات من هذه الجسيمات ، تنتقل عبر المادة مسافة مساوية لقطر الأرض ، تتفاعل مع بروتون أو نيوترون.
أخيرًا ، في عام 1956 ، أعلنت مجموعة من الفيزيائيين الأمريكيين بقيادة فريدريك رينز اكتشاف إلكترون مضاد النوترينو. في تجاربها ، تفاعلت مضادات النيترينو المنبعثة من مفاعل نووي مع البروتونات لتشكيل النيوترونات والبوزيترونات. توفر تواقيع الطاقة الفريدة (والنادرة) لهذه المنتجات الثانوية الأخيرة دليلاً على وجود الجسيم.
أصبح اكتشاف لبتونات الميون المشحونة نقطة البداية للتعريف اللاحق للنوع الثاني من النيوترينو - الميون. تم تحديد هويتهم في عام 1962 بناءً على نتائج تجربة في معجل الجسيمات. تم إنتاج النيوترينوات الميونية عالية الطاقة عن طريق اضمحلال باي ميزونات وأرسلت إلى الكاشف بطريقة يمكن من خلالها دراسة تفاعلاتها مع المادة. على الرغم من أنها غير تفاعلية ، مثل الأنواع الأخرى من هذه الجسيمات ، فقد وجد أنها في المناسبات النادرة عندما تتفاعل مع البروتونات أو النيوترونات ، تشكل الميونات النيوترينوات الميونات ، ولكن لا تشكل الإلكترونات أبدًا. في عام 1998 ، الفيزيائيون الأمريكيون ليون ليدرمان وميلفن شوارتز وجاك شتاينبرجرحصل على جائزة نوبل في الفيزياء لتحديد الميون نيوترينو.
في منتصف السبعينيات ، تم تجديد فيزياء النيوترينو بنوع آخر من اللبتونات المشحونة - تاو. تبين أن نيوترينو تاو وتاو مضاد النوترينو مرتبطان مع هذا الليبتون المشحون الثالث. في عام 2000 ، الفيزيائيين في مختبر المسرع الوطني. أبلغ إنريكو فيرمي عن أول دليل تجريبي على وجود هذا النوع من الجسيمات.
كتلة
جميع أنواع النيوترينوات لها كتلة أقل بكثير من كتلة نظائرها المشحونة. على سبيل المثال ، أظهرت التجارب أن كتلة الإلكترون والنيوترينو يجب أن تكون أقل من 0.002٪ من كتلة الإلكترون وأن مجموع كتل الأنواع الثلاثة يجب أن يكون أقل من 0.48 إلكترون فولت. لسنوات عديدة ، بدا أن كتلة الجسيم تساوي صفرًا ، على الرغم من عدم وجود دليل نظري مقنع على سبب ذلك. بعد ذلك ، في عام 2002 ، قدم مرصد Sudbury Neutrino أول دليل مباشر على أن النيوترينوات الإلكترونية المنبعثة من التفاعلات النووية في لب الشمس تتغير نوعًا أثناء انتقالها من خلاله. تكون مثل هذه "التذبذبات" للنيوترينوات ممكنة إذا كان لنوع واحد أو أكثر من الجسيمات كتلة صغيرة. تشير دراساتهم حول تفاعل الأشعة الكونية في الغلاف الجوي للأرض أيضًا إلى وجود كتلة ، ولكن يلزم إجراء مزيد من التجارب لتحديدها بدقة أكبر.
المصادر
المصادر الطبيعية للنيوترينوات هي التحلل الإشعاعي للعناصر الموجودة في أحشاء الأرض ، وفيهاينبعث تيار كبير من الإلكترونات ومضادات النوترينوات منخفضة الطاقة. المستعرات الأعظمية هي أيضًا ظاهرة نيوترينو في الغالب ، نظرًا لأن هذه الجسيمات فقط هي التي يمكنها اختراق المواد فائقة الكثافة الناتجة في النجم المنهار ؛ يتم تحويل جزء صغير فقط من الطاقة إلى ضوء. تظهر الحسابات أن حوالي 2٪ من طاقة الشمس هي طاقة النيوترينوات المنتجة في تفاعلات الاندماج النووي الحراري. من المحتمل أن تكون معظم المادة المظلمة في الكون مكونة من نيوترينوات تم إنتاجها خلال الانفجار العظيم.
مشاكل الفيزياء
المجالات المتعلقة بالنيوترينوات والفيزياء الفلكية متنوعة وتتطور بسرعة. الأسئلة الحالية التي تجذب عددًا كبيرًا من الجهود التجريبية والنظرية هي كما يلي:
- ما هي كتل النيوترينوات المختلفة؟
- كيف تؤثر على علم الكون في بيغ بانغ؟
- هل تتأرجح؟
- هل يمكن للنيوترينوات من نوع ما أن تتحول إلى نوع آخر أثناء انتقالها عبر المادة والفضاء؟
- هل تختلف النيوترينوات اختلافًا جوهريًا عن الجسيمات المضادة؟
- كيف تنهار النجوم وتشكل سوبر نوفا؟
- ما هو دور النيوترينوات في علم الكونيات؟
واحدة من المشاكل طويلة الأمد ذات الأهمية الخاصة ما يسمى بمشكلة النيوترينو الشمسي. يشير هذا الاسم إلى حقيقة أنه خلال العديد من التجارب الأرضية التي أجريت على مدار الثلاثين عامًا الماضية ، لوحظ عدد أقل من الجسيمات بشكل ثابت مما هو مطلوب لإنتاج الطاقة المنبعثة من الشمس. أحد الحلول الممكنة لها هو التذبذب ، أي التحول الإلكترونيالنيوترينوات إلى ميونات أو تاو أثناء السفر إلى الأرض. نظرًا لأنه من الأصعب بكثير قياس نيوترينوات الميون أو نيوترينوات تاو منخفضة الطاقة ، فإن هذا النوع من التحول قد يفسر سبب عدم ملاحظة العدد الصحيح للجسيمات على الأرض.
جائزة نوبل الرابعة
جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2015 مُنحت لكل من تاكاكي كاجيتا وآرثر ماكدونالد لاكتشافهما كتلة النيوترينو. كانت هذه رابع جائزة من نوعها تتعلق بالقياسات التجريبية لهذه الجسيمات. قد يتساءل البعض لماذا يجب أن نهتم كثيرًا بشيء بالكاد يتفاعل مع المادة العادية.
حقيقة أنه يمكننا اكتشاف هذه الجسيمات سريعة الزوال هي شهادة على براعة الإنسان. نظرًا لأن قواعد ميكانيكا الكم احتمالية ، فإننا نعلم أنه على الرغم من مرور جميع النيوترينوات تقريبًا عبر الأرض ، فإن بعضها سيتفاعل معها. كاشف كبير بما يكفي لاكتشاف ذلك.
تم تصنيع أول جهاز من هذا القبيل في الستينيات في عمق منجم في ولاية ساوث داكوتا. امتلأ المنجم بـ 400 ألف لتر من سائل التنظيف. في المتوسط ، يتفاعل جسيم نيوترينو واحد كل يوم مع ذرة الكلور ، ويحولها إلى أرجون. بشكل لا يصدق ، توصل ريموند ديفيس ، الذي كان مسؤولاً عن الكاشف ، إلى طريقة لاكتشاف ذرات الأرجون القليلة هذه ، وبعد أربعة عقود ، في عام 2002 ، حصل على جائزة نوبل لهذا العمل الفني المذهل.
علم الفلك الجديد
لأن النيوترينوات تتفاعل بشكل ضعيف للغاية ، يمكنها السفر لمسافات طويلة. يمنحوننا الفرصة للنظر في الأماكن التي لن نراها أبدًا. تم إنتاج النيوترينوات التي اكتشفها ديفيس من خلال التفاعلات النووية التي حدثت في مركز الشمس ، وتمكنت من الهروب من هذا المكان الكثيف والساخن بشكل لا يصدق فقط لأنها بالكاد تتفاعل مع المواد الأخرى. حتى أنه من الممكن اكتشاف نيوترينو يطير من مركز نجم متفجر على بعد مائة ألف سنة ضوئية من الأرض.
بالإضافة إلى ذلك ، تتيح هذه الجسيمات إمكانية مراقبة الكون على نطاق صغير جدًا ، أصغر بكثير مما يمكن أن ينظر إليه مصادم الهادرونات الكبير في جنيف ، الذي اكتشف بوزون هيغز. لهذا السبب قررت لجنة نوبل منح جائزة نوبل لاكتشاف نوع آخر من النيوترينو.
مفقود غامض
عندما لاحظ راي ديفيس النيوترينوات الشمسية ، وجد ثلث العدد المتوقع فقط. اعتقد معظم الفيزيائيين أن السبب في ذلك هو ضعف المعرفة بالفيزياء الفلكية للشمس: ربما بالغت نماذج الجزء الداخلي للنجم في تقدير عدد النيوترينوات المنتجة فيه. ومع ذلك ، على مر السنين ، حتى مع تحسن النماذج الشمسية ، استمر النقص. لفت علماء الفيزياء الانتباه إلى احتمال آخر: يمكن أن تكون المشكلة مرتبطة بفهمنا لهذه الجسيمات. وفقًا للنظرية السائدة آنذاك ، لم يكن لديهم كتلة. لكن بعض الفيزيائيين جادلوا بأن الجسيمات لها في الواقع متناهية الصغرالكتلة وهذه الكتلة كانت سبب نقصها
جسيم ثلاثي الوجوه
وفقًا لنظرية اهتزازات النيوترينو ، هناك ثلاثة أنواع مختلفة من النيوترينوات في الطبيعة. إذا كان للجسيم كتلة ، فعندما يتحرك ، يمكن أن يتغير من نوع إلى آخر. يمكن تحويل ثلاثة أنواع - الإلكترون والميون والتاو - عند التفاعل مع المادة إلى الجسيمات المشحونة المقابلة (الإلكترون أو الميون أو تاو ليبتون). يحدث "التذبذب" بسبب ميكانيكا الكم. نوع النيوترينو ليس ثابتًا. يتغير بمرور الوقت. يمكن للنيوترينو ، الذي بدأ وجوده كإلكترون ، أن يتحول إلى ميون ، ثم يعود. وهكذا ، فإن الجسيم المتكون في لب الشمس ، في طريقه إلى الأرض ، يمكن أن يتحول بشكل دوري إلى نيوترينو الميون والعكس صحيح. نظرًا لأن كاشف ديفيس يمكنه فقط اكتشاف نيوترينوات الإلكترون القادرة على أن تؤدي إلى التحويل النووي للكلور إلى أرجون ، بدا من الممكن أن النيوترينوات المفقودة قد تحولت إلى أنواع أخرى. (كما اتضح ، تتذبذب النيوترينوات داخل الشمس ، وليس في طريقها إلى الأرض).
تجربة كندية
كانت الطريقة الوحيدة لاختبار ذلك هي بناء كاشف يعمل لجميع الأنواع الثلاثة من النيوترينوات. منذ التسعينيات ، قاد آرثر ماكدونالد من جامعة كوينز أونتاريو الفريق الذي فعل ذلك في منجم في سودبري ، أونتاريو. احتوت المنشأة على أطنان من الماء الثقيل على سبيل الإعارة من الحكومة الكندية. الماء الثقيل هو شكل نادر ولكنه يحدث بشكل طبيعي حيث يحتوي الهيدروجين على بروتون واحد ،يحل محله نظير الديوتيريوم الأثقل ، والذي يحتوي على بروتون ونيوترون. خزنت الحكومة الكندية الماء الثقيل لأنه يستخدم كمبرد في المفاعلات النووية. يمكن لجميع أنواع النيوترينوات الثلاثة تدمير الديوتيريوم لتكوين بروتون ونيوترون ، وبعد ذلك تم حساب النيوترونات. سجل الكاشف حوالي ثلاثة أضعاف عدد الجسيمات مقارنة بديفيس - وهو بالضبط الرقم الذي تنبأت به أفضل النماذج للشمس. هذا يشير إلى أن النيوترينو الإلكترون يمكن أن يتأرجح إلى أنواعه الأخرى.
تجربة يابانية
في نفس الوقت تقريبًا ، كان تاكاكي كاجيتا من جامعة طوكيو يقوم بتجربة رائعة أخرى. سجل جهاز كشف تم تركيبه في منجم في اليابان وجود نيوترينوات ليست من أحشاء الشمس ، ولكن من الغلاف الجوي العلوي. عندما تصطدم بروتونات الأشعة الكونية بالغلاف الجوي ، تتشكل زخات من الجسيمات الأخرى ، بما في ذلك نيوترينوات الميون. في المنجم ، قاموا بتحويل نوى الهيدروجين إلى ميونات. يمكن أن يرى كاشف كاجيتا الجسيمات القادمة في اتجاهين. سقط بعضها من فوق قادمًا من الجو ، فيما انتقل البعض الآخر من الأسفل. كان عدد الجسيمات مختلفًا ، مما يشير إلى طبيعتها المختلفة - كانت في نقاط مختلفة من دورات التذبذب.
ثورة في العلم
كل شيء غريب ومدهش ، ولكن لماذا تجذب التذبذبات وكتل النيوترينو الكثير من الاهتمام؟ السبب بسيط. في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الذي تم تطويره خلال الخمسين عامًا الماضية من القرن العشرين ،التي وصفت بشكل صحيح جميع الملاحظات الأخرى في المسرعات والتجارب الأخرى ، كان من المفترض أن تكون النيوترينوات عديمة الكتلة. يشير اكتشاف كتلة النيوترينو إلى أن شيئًا ما مفقود. النموذج القياسي غير مكتمل. العناصر المفقودة لم يتم اكتشافها بعد ، إما من خلال مصادم الهدرونات الكبير أو آلة أخرى لم يتم إنشاؤها بعد.
