ربما تكون النيوترينوات هي الأكثر حيرة في الجسيمات المعروفة. إنهم ببساطة يسخرون من كل القواعد المعروفة لكيفية تصرف الجسيمات. إنهم يسخرون من كاشفاتنا الفاخرة. مثل القطط الكونية ، تتجول في جميع أنحاء الكون دون قلق أو عناية ، وتتفاعل أحيانًا مع بقيتنا ، ولكن في الحقيقة فقط عندما تشعر بذلك ، وهو بصراحة ليس كل ذلك كثيرًا.
الأكثر إحباطًا من الجميع ، يرتدون أقنعة ولا يبدون بنفس الطريقة مرتين.
لكن تجربة جديدة قد تكون اقتربت منا من مجرد تمزيق تلك الأقنعة. يمكن أن يساعد الكشف عن هوية النيوترينو الحقيقية في الإجابة عن الأسئلة الطويلة الأمد ، مثل ما إذا كانت النيوترينوات شريكًا مضادًا لها ، وقد يساعد أيضًا في توحيد قوى الطبيعة في نظرية واحدة متماسكة.
مشكلة ضخمة
النيوترينو غريبة. هناك ثلاثة أنواع: إلكترون نيوترينو وميون نيوترينو وتاو نيوترينو. (هناك أيضًا الإصدارات المضادة للجسيمات من هؤلاء الثلاثة ، لكن هذا ليس جزءًا كبيرًا من هذه القصة). وقد تمت تسميتها بهذا الاسم لأن هذه الأنواع الثلاثة تتجمع مع ثلاثة أنواع مختلفة من الجسيمات. النيوترونات الإلكترونية تنضم إلى التفاعلات التي تنطوي على الإلكترونات. يتم إقران نيوترينات Muon مع الميونات. لن يتم منح أي نقاط لتخمين ما يتفاعل معه النيوترينو تاو.
حتى الآن ، هذا ليس غريبًا على الإطلاق. هنا يأتي الجزء الغريب.
للجسيمات التي هي ليس النيوترينوات - مثل الإلكترونات والميونات وجزيئات تاو - ما تراه هو ما تحصل عليه. هذه الجسيمات متشابهة تمامًا باستثناء كتلتها. إذا اكتشفت جسيمًا بكتلة إلكترون ، فسوف تتصرف تمامًا كما يجب أن يتصرف الإلكترون ، وينطبق الشيء نفسه على الميون والتاو. ما هو أكثر من ذلك ، بمجرد اكتشاف الإلكترون ، سيكون دائمًا إلكترونًا. لاأكثر ولا أقل. نفس الشيء للميون والتاو.
لكن الشيء نفسه لا ينطبق على أبناء عمومتهم ، الإلكترون والميون والتا نيوترينو.
ما نسميه ، على سبيل المثال ، "تاو نيوترينو" ليس دائمًا تاو نيوترينو. يمكنها تغيير هويتها. يمكن أن تصبح ، وسطى ، إلكترون أو نيوترينو الميون.
هذه الظاهرة الغريبة التي لم يكن أحد يتوقعها في الأساس تسمى تذبذب النيوترينو. وهذا يعني ، من بين أمور أخرى ، أنه يمكنك إنشاء نيوترينو إلكتروني وإرساله إلى أفضل صديق لك كهدية. ولكن في الوقت الذي يحصلون فيه على ذلك ، قد يشعرون بخيبة أمل للعثور على النيوترينو تاو بدلاً من ذلك.
تترنح ترنح
لأسباب فنية ، يعمل تذبذب النيوترينو فقط إذا كان هناك ثلاثة نيوترينو بثلاث كتل مختلفة. لكن النيوترينوات التي تتأرجح ليست نيوتريونات بطعم الإلكترون والميون والتاو.
بدلاً من ذلك ، هناك ثلاثة نيوترينوات "حقيقية" ، لكل منها كتل مختلفة ، ولكن غير معروفة. مزيج مميز من هذه النيوترينوات الأساسية الحقيقية يخلق كل من نكهات النيوترينو التي نكتشفها في مختبراتنا (الإلكترون ، المون ، تاو). لذا ، فإن الكتلة المقاسة في المختبر هي مزيج من كتل النيوترينو الحقيقية. وفي الوقت نفسه ، تتحكم كتلة كل نيوترينو حقيقي في المزيج في عدد المرات التي تتحول فيها إلى كل من النكهات المختلفة.
وظيفة الفيزيائيين الآن هي تفكيك جميع العلاقات: ما هي كتل تلك النيوترينوات الحقيقية ، وكيف تختلط معًا لصنع النكهات الثلاثة؟
لذا ، فإن الفيزيائيين يسعون لاكتشاف كتل النيوترينوهات "الحقيقية" من خلال النظر في وقت وكيفية تغيير النكهات. مرة أخرى ، فإن المصطلحات الفيزيائية غير مفيدة للغاية عند شرح ذلك ، لأن أسماء هذه النيوترينوات الثلاثة هي ببساطة m1 و m2 و m3.
علمت مجموعة متنوعة من التجارب المضنية العلماء بعض الأشياء حول كتل النيوترينوات الحقيقية ، على الأقل بشكل غير مباشر. على سبيل المثال ، نعرف عن بعض العلاقات بين مربع الجماهير. لكننا لا نعرف بالضبط مقدار وزن أي من النيوترينوات الحقيقية ، ولا نعرف أيهما أثقل.
يمكن أن يكون m3 هو الأثقل والأكثر بكثير من M2 و m1. وهذا ما يُسمى "الترتيب الطبيعي" لأنه يبدو طبيعيًا جدًا - وهم علماء الترتيب الذين خمنوا ذلك منذ عقود. ولكن استنادًا إلى حالتنا الحالية من المعرفة ، يمكن أن يكون أيضًا أن m2 هو أثقل النيوترينو ، حيث m1 ليس بعيدًا عنه و m3 تافهًا بالمقارنة. يسمى هذا السيناريو "الترتيب المعكوس" ، لأنه يعني أننا خمنا الترتيب الخطأ في البداية.
بالطبع ، هناك معسكرات لمنظرين يتوقون إلى أن يكون كل من هذه السيناريوهات صحيحًا. إن النظريات التي تحاول توحيد جميع (أو على الأقل معظم) قوى الطبيعة تحت سقف واحد تستدعي عادةً ترتيب كتلة النيوترينو الطبيعي. من ناحية أخرى ، فإن ترتيب الكتلة المقلوبة ضروري لكي يكون النيوترينو توأماً مضادًا للجسيمات. وإذا كان هذا صحيحًا ، فيمكن أن يساعد في تفسير سبب وجود مادة أكثر من المادة المضادة في الكون.
تجريب DeepCore
أيهما: عادي أم مقلوب؟ هذا هو أحد أكبر الأسئلة التي ظهرت من خلال العقدين الماضيين من أبحاث النيوترينو ، وهو بالضبط نوع السؤال الذي صمم مرصد IceCube Neutrino الضخم للإجابة عليه. يقع المرصد في القطب الجنوبي ، ويتكون من عشرات سلاسل الكواشف التي غرقت في الغطاء الجليدي في القطب الجنوبي ، مع "DeepCore" مركزي من ثمانية سلاسل من الكواشف الأكثر كفاءة وقادرة على رؤية تفاعلات منخفضة الطاقة.
بالكاد تتحدث النيوترينوات مع المادة الطبيعية ، لذا فهي قادرة تمامًا على النفث مباشرة عبر جسم الأرض نفسه. وعندما يفعلون ذلك ، سوف يتحولون إلى النكهات المختلفة. في كل مرة نادرة ، سيضربون جزيءًا في الغطاء الجليدي في أنتاركتيكا بالقرب من كاشف IceCube ، مما يؤدي إلى تدفق متتالي من الجسيمات التي تصدر ضوءًا أزرقًا مدهشًا يسمى إشعاع Cherenkov. هذا هو الضوء الذي تكشف عنه سلاسل IceCube.
في ورقة حديثة نُشرت في مجلة arXiv المطبوعة مسبقًا ، استخدم علماء IceCube ثلاث سنوات من بيانات DeepCore لقياس عدد كل نوع من النيوترينو الذي يمر عبر الأرض. التقدم بطيء بالطبع ، لأنه يصعب التقاط النيوترينوات. لكن في هذا العمل. يشير العلماء إلى تفضيل طفيف في البيانات للترتيب العادي (مما يعني أننا خمنا منذ عقود). ومع ذلك ، لم يجدوا أي شيء نهائي للغاية حتى الآن.
هل هذا كل ما سنحصل عليه؟ بالتاكيد لا. تستعد IceCube للترقية الرئيسية قريبًا ، وتستعد تجارب جديدة مثل ترقية الجيل القادم من IceCube الدقيقة (PINGU) و Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) لمعالجة هذا السؤال المركزي أيضًا. من كان يعلم أن مثل هذا السؤال البسيط حول ترتيب كتل النيوترينو سيكشف الكثير عن الطريقة التي يعمل بها الكون؟ إنه أمر سيء للغاية كما أنه ليس سؤالًا سهلاً.
بول م. سوتر فيزيائي فلكي في جامعة ولاية أوهايومضيف "اسأل رائد فضاء" و "راديو الفضاء، "ومؤلف"مكانك في الكون."
