يخطط الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لقياس كتلة النيوترينوات. تم طرح نظرية تذبذبات النيوترينو، والتي تم منح جائزة نوبل في الفيزياء لتأكيدها، في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية جسيم صغير محايد

الفيزيائيون والفائزون جائزة نوبل 2015واكتشفت الظاهرة، غير متوافقمع المقبولة عموما النموذج القياسي للجسيمات الأولية. وبشكل مستقل عن بعضها البعض، أكدوا ذلك تجريبيا النيوترينوات لها كتلة. لا يمكن لآلية هيغز لتكوين كتل الجسيمات الأولية أن تفسر هذه الظاهرة. وفقًا للنموذج القياسي، يجب ألا تكون للنيوترينوات كتلة.

تطرح أسئلة كثيرة، وينفتح مجال واسع لأبحاث جديدة.

ايضا في الستينياتالقرن الماضي برونو بونتيكورفووالإيطالية الشهيرة و السوفييتي(هاجر إلى اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتيةفي عام 1950) فيزيائي، الذي عمل في المعهد المشترك للأبحاث النوويةالخامس دوبناواقترح أن للنيوترينوات كتلة، واقترح فكرة إجراء تجربة لاختبار هذه الفرضية. يمكن ملاحظة دليل وجود الكتلة في النيوترينوات من خلال مراقبة تذبذباتها. التذبذبات هي عمليات متكررة في حالة النظام.

بالنسبة للنيوترينوات هذا هو تكرار التحول لثلاثة أنواع من النيوترينوات(نيوترينوات الإلكترون والميون والتاو) في بعضها البعض. ويترتب على النظرية أن مدة فترات التذبذب تتحدد بالفرق في مربعات كتل النيوترينو المارة من نوع إلى آخر. كان من المعتقد أن نيوترينو الإلكترون لديه أصغر كتلة، ونيوترينو الميون لديه كتلة أكبر بقليل، ونيوترينو التاو أكثر. ومن خلال ملاحظة الذبذبات يمكن تقدير الفرق في مربعات الكتل وبالتالي إثبات وجود كتل النيوترينو، لكن في هذه التجربة من المستحيل تقدير قيمة كتل كل نوع من النيوترينو على حدة.

الحائز على جائزة نوبل آرثر ماكدونالددرس تدفق النيوترينوات الشمسية في مرصد سودبوري للنيوترينو في كندا. تمت دراسة تدفقات النيوترينو من الشمس عدة مرات في مراصد مختلفة تحت الأرض حول العالم، وقد تبين دائمًا أن تدفق النيوترينو المرصود أقل بثلاث مرات من المتوقع. تم تقدير التدفق المتوقع وفقًا لانتاج النيوترينو من التفاعلات النووية الحرارية التي تحدث في قلب الشمس. ونتيجة لهذه التفاعلات، يتدفق تيار من النيوترينوات الإلكترونية من الشمس. وهذا النوع من النيوترينو هو الذي تمكنت أجهزة الكشف من اكتشافه. لقد كان من المفترض منذ فترة طويلة أنه في طريقها من الشمس، يمكن للنيوترينوات أن تتحول من الإلكترون إلى أنواع أخرى. كان آرثر ماكدونالد قادرًا على مراقبة تدفقات الأنواع الثلاثة من النيوترينوات وإظهار أنها تتوافق في المجمل مع ما كان متوقعًا. وقد تبين أن فترة التذبذبات أقصر من الوقت الذي يستغرقه تدفق النيوترينو للانتقال من الشمس إلى الأرض، وخلال هذا الوقت يتمكن عدد كبير من نيوترينوات الإلكترون من التحول إلى ميون وتاو. وهكذا تم اكتشاف عملية التذبذبات تجريبيا، وبالتالي تم التأكد من أن النيوترينو له كتلة.

الحائز على جائزة نوبل تاكاكي خاجيتأجرى ملاحظات للنيوترينوات عالية الطاقة في تلسكوب النيوترينو سوبر كاميوكاندي. تنشأ النيوترينوات عالية الطاقة في الغلاف الجوي للأرض نتيجة لعمل الأشعة الكونية. تتألف التجربة من مقارنة تدفقات النيوترينوات الميونية التي تصل إلى الكاشف مباشرة من الغلاف الجوي مع تدفق النيوترينوات من الجانب الآخر من الأرض، مروراً بسمك الأرض بالكامل إلى الكاشف. اتضح أنه في التيار الثاني تحولت بعض نيوترينوات الميون إلى إلكترونات. وهكذا، فقد ثبت بشكل مستقل أن التذبذبات تحدث في تدفقات النيوترينو، وبالتالي فإن النيوترينوات لها كتلة.

في الواقع، تعتبر كل من العمليات نفسها وملاحظاتها أكثر تعقيدًا بكثير من تلك الموصوفة في هذا النص.

موسكو، 6 أكتوبر – ريا نوفوستي. ويحلم عالم الفيزياء الكندي آرثر ماكدونالد، الحائز على جائزة نوبل لعام 2015 مع الياباني تاكاكي كاجيتا لاكتشاف تذبذبات النيوترينو، بقياس الكتلة الدقيقة للنيوترينوات، وهو ما سيسمح للعلماء بالكشف عن سر ولادة الكون، الذي أعلن عنه. خلال مؤتمر صحفي في ستوكهولم.

"نعم، لا يزال لدينا الكثير من الأسئلة حول ماهية النيوترينوات وكيف تتناسب تحولاتها مع النموذج القياسي للفيزياء. نحن لا نعرف حتى الآن ما هي كتلة النيوترينوات، ويتم الآن إجراء التجارب في مختبراتنا. وقال العالم: "حيث نحاول حسابها وفهم ما إذا كانت هناك أنواع أخرى من هذه الجسيمات".

منحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2015 لتذبذبات النيوترينووقالت لجنة نوبل في بيان إن الجائزة منحت للعالمين آرثر بي. ماكدونالد (كندا) وتاكاكي كايتا (اليابان) لاكتشافهما الذي يمكن أن يغير بشكل حاسم فهم الكون.

فاز ماكدونالد وخاجيتا بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2015 لاكتشافهما عام 1998 ظاهرة تذبذبات النيوترينو - وهي قدرة هذه الجسيمات بعيدة المنال على "التبديل" بين ثلاثة أنواع: نيوترينوات الإلكترون والميون والتاو.

النيوترينوات هي جسيمات أولية محايدة كهربائيًا تنشأ نتيجة لأنواع مختلفة من التفاعلات النووية، خاصة في المفاعلات النووية، أو تولد في الشمس وتسقط على الأرض مع الأشعة الكونية. وتتميز بقدرة اختراق عالية للغاية. يمكن للنيوترينو أن يطير عبر مئات الأمتار من الخرسانة و"لا يلاحظ" العائق.

إن قدرة الأنواع المختلفة من النيوترينوات على التحول إلى بعضها البعض لا يمكن أن توجد إلا إذا كان لهذا الجسيم كتلة غير صفرية. تعتمد تقديرات كتلة الكون، وبالتالي الأفكار حول مصيره المستقبلي، على وجود كتلة في النيوترينوات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للكتلة غير الصفرية من النيوترينوات أن تفسر حقيقة أن الكون يتكون من مادة، ولا يوجد فيه أي مادة مضادة، على الرغم من أنه كان من المفترض أن تظهر كميات متساوية من كليهما في لحظة الانفجار الكبير.

تم تأكيد اكتشاف ماكدونالد وخاجيتا أخيرًا في صيف عام 2015، عندما اكتشف فيزيائيو المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) نيوترينو تاو خامسًا في تيار من نيوترينوات الميون التي تنتقل من سويسرا إلى إيطاليا، حيث يقع كاشف OPERA الشهير، مما أدى إلى ظهور "النيوترينو الفائق اللمعية". " ضجة كبيرة في عام 2011، والتي تم دحضها قريبا.

ويقول الخبراء إنه من المستحيل الآن التنبؤ بكيفية استخدام نتائج دراسات النيوترينو. ومع ذلك، فإن هذه الدراسات لديها بالفعل بعض النتائج العملية أو يمكن توقعها في المستقبل القريب.

وكما قال علماء روس لوكالة نوفوستي كجزء من برنامج "Science Monday"، باستخدام تنظير النيوترينات للأرض، فمن الممكن رسم خريطة للصخور الموجودة في باطن الأرض، ودراسة تاريخ الانفجارات البركانية وذوبان الجليد في القطب الجنوبي، وكذلك مراقبة العملية. محطات الطاقة النووية ومراقبة تجارب الأسلحة النووية.

الفيزياء

مُنحت جائزة نوبل لعام 2015 "لاكتشاف تذبذبات النيوترينو، التي تثبت أن للنيوترينوات كتلة".

في عام 1998، قدم تاكاكي كاجيتا، الذي كان آنذاك عضوًا في تعاون سوبر كاميوكاندي، بيانات توضح اختفاء نيوترينوات الغلاف الجوي، أي النيوترينوات التي تنتجها الأشعة الكونية التي تمر عبر الغلاف الجوي، في طريقها إلى الكاشف. في عام 2001، نشر آرثر بي. ماكدونالد، مدير تعاونية مرصد سدبوري للنيوترينو (SNO)، دليلًا على تحويل نيوترينوات الإلكترون الشمسية إلى نيوترينوات مو وتاو. كانت هذه الاكتشافات ذات أهمية كبيرة وشكلت طفرة في فيزياء الجسيمات. إن تذبذبات النيوترينو والأسئلة المترابطة حول طبيعة النيوترينوات وكتلة النيوترينو وإمكانية كسر تماثل نسبة شحنة اللبتونات هي أهم قضايا علم الكون وفيزياء الجسيمات الأولية اليوم.

نحن نعيش في عالم من النيوترينوات. "تتدفق" آلاف المليارات من النيوترينوات عبر أجسامنا كل ثانية. لا يمكن رؤيتهم ولا الشعور بهم. تندفع النيوترينوات عبر الفضاء بسرعة الضوء تقريبًا ولا تتفاعل عمليًا مع المادة. هناك عدد كبير من مصادر النيوترينو في الفضاء وعلى الأرض. وُلدت بعض النيوترينوات نتيجة للانفجار الكبير. والآن مصادر النيوترينوات هي انفجارات المستعرات العظمى، واضمحلال النجوم العملاقة، وكذلك التفاعلات الإشعاعية في محطات الطاقة النووية وعمليات الانحلال الإشعاعي الطبيعي في الطبيعة. وبالتالي، فإن النيوترينوات هي ثاني أكبر عدد من الجسيمات الأولية بعد الفوتونات، وهي جسيمات الضوء. ولكن على الرغم من ذلك، لم يتم تحديد وجودهم لفترة طويلة.

تم اقتراح إمكانية وجود النيوترينوات من قبل الفيزيائي النمساوي فولفغانغ باولي كمحاولة لشرح تحول الطاقة أثناء اضمحلال بيتا (نوع من الاضمحلال الإشعاعي للذرة مع انبعاث الإلكترونات). في ديسمبر 1930، اقترح أن بعض الطاقة يتم أخذها بواسطة جسيم محايد كهربائيًا ضعيف التفاعل بكتلة منخفضة جدًا (ربما عديم الكتلة). كان باولي نفسه يؤمن بوجود مثل هذا الجسيم، لكنه في الوقت نفسه أدرك مدى صعوبة اكتشاف جسيم بمثل هذه المعلمات باستخدام طرق الفيزياء التجريبية. وكتب عن هذا: "لقد فعلت شيئًا فظيعًا، فقد افترضت وجود جسيم لا يمكن اكتشافه". بعد فترة وجيزة من اكتشاف جسيم ضخم شديد التفاعل في عام 1932 يشبه البروتون، ولكنه محايد فقط (جزء من الذرة عبارة عن نيوترون)، اقترح الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي أن يطلق باولي على الجسيم الأولي بعيد المنال اسم النيوترينو.

لم تظهر فرصة اكتشاف النيوترينوات إلا في أواخر الخمسينيات، عندما تم بناء عدد كبير من محطات الطاقة النووية وزاد تدفق النيوترينو بشكل ملحوظ. في عام 1956، أجرى ف. رينز (الذي حصل لاحقًا على جائزة نوبل عام 1995) تجربة لتنفيذ فكرة الفيزيائي السوفييتي ب.م. بونتيكورفو حول اكتشاف النيوترينوات والنيوترينوات المضادة في مفاعل نووي في ولاية كارولينا الجنوبية. ونتيجة لذلك، أرسل برقية إلى فولفجانج باولي (قبل عام واحد فقط من وفاته) يخبره فيها أن النيوترينوات قد تركت آثارًا في كاشفها. وبالفعل في عام 1957 م. نشر بونتيكورفو عملاً رائدًا آخر حول النيوترينوات، حيث كان رائدًا في فكرة تذبذبات النيوترينو.
منذ الستينيات، بدأ العلماء بنشاط في تطوير اتجاه علمي جديد - علم فلك النيوترينو. وكانت إحدى المهام هي حساب عدد النيوترينوات الناتجة عن التفاعلات النووية في الشمس. لكن محاولات تسجيل العدد التقديري للنيوترينوات على الأرض أظهرت أن ما يقرب من ثلثي النيوترينوات مفقودة! وبطبيعة الحال، قد تكون هناك أخطاء في الحسابات التي تم إجراؤها. لكن أحد الحلول الممكنة هو أن بعض النيوترينوات غيرت نوعها. وفقًا للنموذج القياسي المعمول به حاليًا في فيزياء الجسيمات (الشكل 1)، هناك ثلاثة أنواع من النيوترينوات - نيوترينوات الإلكترون، ونيوترينوات مو، ونيوترينوات تاو.

الشكل 1 - النموذج القياسي هو بناء نظري في فيزياء الجسيمات يصف التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية لجميع الجسيمات الأولية. النموذج القياسي ليس نظرية لكل شيء لأنه لا يصف المادة المظلمة والطاقة المظلمة ولا يشمل الجاذبية. يحتوي على 6 لبتونات (إلكترون، ميون، تاو ليبتون، إلكترون نيوترينو، ميون نيوترينو وتاو نيوترينو)، 6 كواركات (u، d، s، c، b، t) و12 جسيم مضاد. (http://elementy.ru/LHC/HEP/SM)

يتوافق كل نوع من النيوترينو مع شريكه المشحون - الإلكترون، وجسيمين آخرين أثقل لهما عمر أقصر - الميون وتاو ليبتون. نتيجة للتفاعلات النووية على الشمس، تولد نيوترينوات الإلكترون فقط، ويمكن العثور على النيوترينوات المفقودة إذا تحولت نيوترينوات الإلكترون في طريقها إلى الأرض إلى نيوترينوات مو ونيوترينوات تاو.

البحث عن النيوترينوات في أعماق الأرض

يتم البحث عن النيوترينوات بشكل مستمر، ليلًا ونهارًا، في منشآت ضخمة مبنية في أعماق الأرض لحجب الضوضاء الدخيلة الناتجة عن الإشعاع الكوني والتفاعلات الإشعاعية التلقائية في البيئة. ومن الصعب للغاية التمييز بين إشارات عدد قليل من النيوترينوات الشمسية الحقيقية وبين مليارات الإشارات الكاذبة.

تم بناء مرصد سوبر كاميوكاندي النيوتروني في عام 1996 تحت جبل كاميوكا، على بعد 250 كم شمال غرب طوكيو. تم بناء مرصد آخر، وهو مرصد سودبوري للنيوترينو (SNO)، في عام 1999 في منجم للنيكل بالقرب من أونتاريو.

الشكل 2 - سوبر كاميوكاندي هو كاشف للنيوترينو الجوي. عندما يتفاعل النيوترينو مع الماء، يتم إنشاء جسيم مشحون كهربائيا. وهذا يؤدي إلى ظهور إشعاع شيرينكوف-فافيلوف، الذي يتم تسجيله بواسطة أجهزة الكشف عن الضوء. إن شكل وشدة طيف إشعاع شيرينكوف-فافيلوف يجعل من الممكن تحديد نوع الجسيم ومن أين جاء.

Super-Kamiokande هو كاشف عملاق تم بناؤه على عمق 1000 متر. ويتكون من خزان بمساحة 40 × 40 مترًا مملوءًا بـ 50 ألف طن من الماء. الماء الموجود في الخزان نقي للغاية بحيث يمكن للضوء أن ينتقل مسافة 70 مترًا قبل أن تنخفض شدته إلى النصف. في حمام السباحة العادي، تبلغ هذه المسافة بضعة أمتار فقط. يوجد على جانبي الخزان، في أعلى وأسفل، 11000 كاشف ضوئي يسمح لك بتسجيل أدنى وميض من الضوء في الماء. يمر عدد كبير من النيوترينوات عبر خزان الماء، لكن القليل منها فقط يتفاعل مع الذرات و/أو الإلكترونات لتكوين جسيمات مشحونة كهربائيًا. تتشكل الميونات من نيوترينوات ميو والإلكترونات من نيوترينوات الإلكترون. تتشكل ومضات من الضوء الأزرق حول الجزيئات المشحونة المتكونة. وهذا ما يسمى بإشعاع شيرينكوف-فافيلوف، والذي يحدث عندما تتحرك الجسيمات المشحونة بسرعة تتجاوز سرعة الضوء في وسط معين. وهذا لا يتعارض مع نظرية أينشتاين التي تنص على أنه لا شيء يمكن أن يتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء في الفراغ. في الماء، تبلغ سرعة الضوء 70٪ فقط من سرعة الضوء في الفراغ، وبالتالي يمكن حجبها بواسطة سرعة الجسيم المشحون.

عندما يمر الإشعاع الكوني عبر طبقات الغلاف الجوي، يولد عدد كبير من نيوترينوات المو، والتي تحتاج إلى السفر بضع عشرات من الكيلومترات فقط إلى الكاشف. يمكن لـ Super-Kamiokande اكتشاف نيوترينوات Mu القادمة مباشرة من الغلاف الجوي، بالإضافة إلى تلك النيوترينوات التي تدخل الكاشف من الجانب الآخر، مروراً بسمك الكرة الأرضية بالكامل. وكان من المتوقع أن يكون عدد النيوترينوات المكتشفة في كلا الاتجاهين هو نفسه، لأن سمك الأرض لا يشكل أي عائق أمام النيوترينوات. ومع ذلك، كان عدد النيوترينوات التي ضربت سوبر كاميوكاندي مباشرة من الغلاف الجوي أكبر بكثير. ولم يختلف عدد نيوترينوات الإلكترون التي تصل في كلا الاتجاهين. وتبين أن ذلك الجزء من المو نيوترينو الذي قطع مسارًا أطول عبر سماكة الأرض قد تحول على الأرجح بطريقة أو بأخرى إلى نيوترينو تاو. ومع ذلك، كان من المستحيل تسجيل هذه التحولات مباشرة في مرصد سوبر كاميوكاندي.

للحصول على إجابة نهائية لسؤال حول إمكانية تحولات النيوترينو أو تذبذبات النيوترينو، تم إجراء تجربة أخرى في مرصد النيوترينو الثاني، مرصد سودبيري للنيوترينو (الشكل 3). تم بناؤه على عمق 2000 متر تحت الأرض ومجهز بـ 9500 كاشف ضوئي. وتم تصميم المرصد لرصد النيوترينوات الشمسية التي تكون طاقتها أقل بكثير من تلك المتولدة في طبقات الغلاف الجوي. لم يكن الخزان مملوءًا بالمياه النقية فحسب، بل بالماء الثقيل، حيث تحتوي كل ذرة هيدروجين في جزيء الماء على نيوترون إضافي. وبالتالي فإن احتمال تفاعل النيوترينو مع ذرات الهيدروجين الثقيلة أعلى بكثير. بالإضافة إلى ذلك، فإن وجود النوى الثقيلة يسمح للنيوترينوات بالتفاعل مع التفاعلات النووية الأخرى، وبالتالي سيتم ملاحظة ومضات ضوئية ذات كثافة مختلفة. تتيح بعض أنواع التفاعلات اكتشاف جميع أنواع النيوترينوات، لكنها للأسف لا تسمح بتمييز نوع واحد عن الآخر بدقة.

الشكل 3 - مرصد سدبوري للنيوترينو هو كاشف للنيوترينو الشمسي. تتيح التفاعلات بين نوى الهيدروجين الثقيلة والنيوترينوات اكتشاف نيوترينوات الإلكترون فقط وجميع أنواع النيوترينوات في وقت واحد. (الرسمان التوضيحيان 2 و 3 من الموقع الإلكتروني للجنة نوبل nobelprize.org والأكاديمية السويدية للعلوم kva.se)

وبعد بدء التجربة، رصد المرصد 3 نيوترينوات يوميا من أصل 60 مليار نيوترينو تصل إلى الأرض من الشمس كل 1 سم2. ومع ذلك، كان أقل بثلاث مرات من العدد المحسوب للنيوترينوات الشمسية. يتوافق العدد الإجمالي لجميع أنواع النيوترينوات المكتشفة في المرصد بدقة عالية مع العدد المتوقع للنيوترينوات المنبعثة من الشمس. تعميم النتائج التجريبية لمرصدين للنيوترينو، النظرية التي اقترحها بونتيكورفو حول الاحتمال الأساسي لتذبذبات النيوترينو، جعلت من الممكن إثبات وجود تحولات النيوترينو في الطريق من الشمس إلى الأرض. في هذين المرصدين، سوبر كاميوكاندي ومرصد سودبوري للنيوترينو، تم الحصول على النتائج الموصوفة لأول مرة وتم اقتراح تفسيرها في عام 2001. للتحقق أخيرًا من صحة التجارب، بعد مرور عام، في عام 2002، بدأت تجربة KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator AntiNeutrino Detector)، حيث تم استخدام مفاعل كمصدر للنيوترونات. وبعد عدة سنوات، وبعد تجميع إحصائيات كافية، تم تأكيد نتائج تحول النيوترينو بدقة عالية.

ولشرح آلية تحولات النيوترينو أو تذبذبات النيوترينو، تحول العلماء إلى النظرية الكلاسيكية لميكانيكا الكم. إن تأثير تحول نيوترينوات الإلكترون إلى نيوترينوات مو وتاو يفترض، من وجهة نظر ميكانيكا الكم، أن النيوترينوات لها كتلة، وإلا فإن هذه العملية مستحيلة حتى من الناحية النظرية. في ميكانيكا الكم، يتوافق الجسيم ذو الكتلة المحددة مع موجة ذات تردد معين. النيوترينوات هي عبارة عن تراكب للموجات، والتي تتوافق مع نيوترينوات من أنواع مختلفة وكتل مختلفة. عندما تكون الموجات في طور واحد، فمن المستحيل التمييز بين نوع واحد من النيوترينو وآخر. لكن خلال فترة زمنية كبيرة من حركة النيوترينوات من الشمس إلى الأرض، يمكن أن يحدث انحسار للموجات ومن ثم يكون من الممكن تراكبها اللاحق بطريقة مختلفة. ومن ثم يصبح من الممكن التمييز بين نوع واحد من النيوترينو وآخر. تحدث مثل هذه التغييرات الغريبة بسبب حقيقة أن الأنواع المختلفة من النيوترينوات لها كتل مختلفة، ولكنها تختلف بمقدار صغير جدًا. تقدر كتلة النيوترينو بملايين المرات أقل من كتلة الإلكترون - وهذه كمية ضئيلة. ومع ذلك، نظرًا لحقيقة أن النيوترينو جسيم شائع جدًا، فإن مجموع كتل جميع النيوترينوات يساوي تقريبًا كتلة جميع النجوم المرئية.

على الرغم من هذه النجاحات التي حققها الفيزيائيون، لا تزال العديد من الأسئلة دون حل. لماذا النيوترينوات خفيفة جدا؟ هل هناك أنواع أخرى من النيوترينوات؟ لماذا تختلف النيوترينوات عن الجسيمات الأولية الأخرى؟ التجارب مستمرة وهناك أمل في أن تكشف عن خصائص جديدة للنيوترينوات، وبالتالي تقربنا من فهم تاريخ الكون وبنيته ومستقبله.

تم إعداده من مواد من موقع nobelprize.org.

الأدب والموارد الشعبية

تاكاكي كاجيتا وآرثر بي ماكدونالد

مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2015 لاكتشاف تذبذبات النيوترينو. وكان الفائزون بالجائزة هم العلماء آرثر ب. ماكدونالد من كندا وتاكاكي كاجيتا من اليابان.

لإسهاماتهم المهمة في التجارب التي أثبتت أن النيوترينوات يمكنها تغيير حالتها. يتطلب هذا التحول أن يكون للنيوترينوات كتلة. وقالت لجنة نوبل إن اكتشاف العلماء غيّر فهمنا للمادة وقد يغير بشكل حاسم فهمنا للكون.

ماكدونالد هو أستاذ في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (الولايات المتحدة الأمريكية) وأستاذ فخري في جامعة كوينز (كندا). تاكاكي كايتا يرأس معهد أبحاث الأشعة الكونية وهو أستاذ في جامعة طوكيو.

في العام الماضي، مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء إلى إيسامو أكاساكي (اليابان)، وهيروشي أمانو (اليابان)، وشوجي ناكامورا (الولايات المتحدة الأمريكية) لاختراعهم مصدر ضوء جديد موفر للطاقة وصديق للبيئة - الصمام الثنائي الباعث للضوء الأزرق ( قاد). يعد اختراع العلماء بديلاً فعالاً لمصابيح الإضاءة التقليدية.

تم منح أكبر عدد من الجوائز في الفيزياء لأبحاث الجسيمات الأولية (34)، والفيزياء النووية (28)، وفيزياء المواد المكثفة (28)، وميكانيكا الكم (11)، حسبما أفادت بي بي سي. أشهر الحائز على جائزة نوبل في كل العصور والتخصصات والشعوب كان ألبرت أينشتاين. وفي عام 1921، حصل على جائزة نوبل في الفيزياء - كما قيل، لخدماته في مجال الفيزياء النظرية، وخاصة لاكتشاف التأثير الكهروضوئي.

وتجدر الإشارة إلى أن كل هذه الأدلة الأولية لصالح تذبذبات النيوترينو تم الحصول عليها من خلال "تجارب التلاشي". هذا هو نوع التجارب التي نقيس فيها التدفق، ونرى أنه أضعف من المتوقع، ونخمن أن النيوترينوات التي نبحث عنها قد تحولت إلى مجموعة مختلفة. ولكي تكون أكثر إقناعا، عليك أن ترى نفس العملية مباشرة، من خلال "تجربة ظهور" النيوترينوات. ويتم الآن أيضًا إجراء مثل هذه التجارب، وتتوافق نتائجها مع تجارب الانقراض. على سبيل المثال، يوجد في CERN خط مسرع خاص "يطلق" شعاعًا قويًا من نيوترينوات الميون في اتجاه مختبر غران ساسو الإيطالي، الواقع على بعد 732 كم. يبحث كاشف OPERA المثبت في إيطاليا عن نيوترينوات تاو في هذا التدفق. على مدار خمس سنوات من التشغيل، تمكنت OPERA من التقاط خمسة نيوترينوات تاو، وهذا يثبت بشكل قاطع حقيقة التذبذبات المكتشفة سابقًا.

الفصل الثاني: الشذوذ الشمسي

اللغز الثاني لفيزياء النيوترينو الذي يتطلب حلًا يتعلق بالنيوترينوات الشمسية. تولد النيوترينوات في مركز الشمس أثناء الاندماج النووي الحراري؛ وهي تصاحب التفاعلات التي تجعل الشمس تشرق. بفضل الفيزياء الفلكية الحديثة، أصبحنا نعرف جيدًا ما يجب أن يحدث في مركز الشمس، مما يعني أنه يمكننا حساب معدل إنتاج النيوترينو هناك وتدفقها الذي يصل إلى الأرض. ومن خلال قياس هذا التدفق تجريبيًا (الشكل 6)، سنكون قادرين على النظر مباشرة إلى مركز الشمس لأول مرة والتحقق من مدى فهمنا لبنيته وعمله.

تم إجراء تجارب للكشف عن النيوترينوات الشمسية منذ ستينيات القرن العشرين؛ لقد ذهب جزء من جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2002 لهذه الملاحظات فقط. نظرًا لأن طاقة النيوترينوات الشمسية صغيرة، بترتيب MeV أو أقل، لا يستطيع كاشف النيوترينوات تحديد اتجاهها، ولكنه يسجل فقط عدد أحداث التحول النووي التي تسببها النيوترينوات. وهنا أيضًا ظهرت مشكلة على الفور وازدادت قوةً تدريجيًا. على سبيل المثال، أظهرت تجربة هومستيك، التي استمرت لمدة 25 عامًا تقريبًا، أنه على الرغم من التقلبات، فإن التدفق الذي سجلته كان في المتوسط ​​أقل بثلاث مرات من التدفق الذي تنبأ به علماء الفيزياء الفلكية. تم تأكيد هذه البيانات في التسعينيات من خلال تجارب أخرى، ولا سيما Gallex وSAGE.

كانت الثقة في أن الكاشف يعمل بشكل صحيح كبيرة جدًا لدرجة أن العديد من الفيزيائيين كانوا يميلون إلى الاعتقاد بأن التنبؤات النظرية الفيزيائية الفلكية تفشل في مكان ما - فالعمليات كانت معقدة للغاية في مركز الشمس. ومع ذلك، قام علماء الفيزياء الفلكية بتحسين النموذج وأصروا على موثوقية التنبؤات. وهكذا استمرت المشكلة وتحتاج إلى تفسير.

بالطبع، هنا أيضًا، كان المنظرون يفكرون منذ فترة طويلة في تذبذبات النيوترينو. كان من المفترض أنه في الطريق من باطن الشمس، تتحول بعض نيوترينوات الإلكترون إلى ميون أو تاو. وبما أن تجارب مثل Homestake وGALLEX، بحكم تصميمها، تلتقط النيوترينوات الإلكترونية حصريًا، فإن عددها أقل من اللازم. علاوة على ذلك، في السبعينيات والثمانينيات، توقع المنظرون أن النيوترينوات التي تنتشر داخل الشمس يجب أن تتأرجح بشكل مختلف قليلاً عما كانت عليه في الفراغ (كانت هذه الظاهرة تسمى تأثير ميخيف-سميرنوف-ولفنشتاين)، والذي يمكن أن يساعد أيضًا في تفسير الشذوذ الشمسي.

لحل مشكلة النيوترينوات الشمسية، كان من الضروري القيام بشيء يبدو بسيطًا: بناء كاشف يمكنه التقاط التدفق الكامل لجميع أنواع النيوترينوات، بالإضافة إلى تدفق نيوترينوات الإلكترون بشكل منفصل. سيكون من الممكن بعد ذلك التأكد من أن النيوترينوات المنتجة داخل الشمس لا تختفي، بل تغير نوعها ببساطة. ولكن بسبب انخفاض طاقة النيوترينوات، كان هذا مشكلة: ففي نهاية المطاف، لا يمكنها أن تتحول إلى ميون أو تاو ليبتون. وهذا يعني أننا بحاجة إلى البحث عنهم بطريقة أخرى.

حاول كاشف Super-Kamiokande التعامل مع هذه المشكلة عن طريق استخدام التشتت المرن للنيوترينوات على إلكترونات الذرة وتسجيل الارتداد الذي يتلقاه الإلكترون. مثل هذه العملية، من حيث المبدأ، حساسة للنيوترينوات بجميع أنواعها، ولكن نظرًا لخصائص التفاعل الضعيف، فإن المساهمة الساحقة فيها تأتي من النيوترينوات الإلكترونية. ولذلك، تبين أن الحساسية لتدفق النيوترينو الكلي ضعيفة.

وهنا قال كاشف نيوترينو آخر، SNO، الكلمة الحاسمة. فيه، على عكس Super-Kamiokande، لم يستخدم الماء العادي، ولكن الماء الثقيل الذي يحتوي على الديوتيريوم. نواة الديوتيريوم، الديوترون، هي نظام ضعيف الارتباط من البروتون والنيوترون. من تأثير النيوترينو الذي تبلغ طاقته عدة ميغا إلكترون فولت، يمكن أن ينقسم الديوترون إلى بروتون ونيوترون: \(\nu + d \to \nu + p + n\). هذه العملية، الناجمة عن المكون المحايد للتفاعل الضعيف (الحامل هو البوزون Z)، لها نفس الحساسية للنيوترينوات بجميع أنواعها الثلاثة، ويمكن اكتشافها بسهولة عن طريق التقاط نيوترون بواسطة نوى الديوتيريوم وانبعاثه. من كم غاما. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمرصد SNO اكتشاف نيوترينوات الإلكترون البحتة بشكل منفصل عن طريق انقسام الديوترون إلى بروتونين، \(\nu_e + d \to e + p + p\)، والذي يحدث بسبب المكون المشحون للتفاعلات الضعيفة (الحامل هو بوزون W).

بدأ تعاون SNO في جمع الإحصائيات في عام 1998، وعندما تراكمت بيانات كافية، قدم نتائج قياس تدفق النيوترينو الكلي ومكوناته الإلكترونية في منشورين، 2001 و2002 (انظر: قياس معدل ν) ه +د→ص+ص+ه بو ). وبطريقة ما، سقط كل شيء فجأة في مكانه. لقد تطابق إجمالي تدفق النيوترينو في الواقع مع ما تنبأ به النموذج الشمسي. وكان الجزء الإلكتروني في الواقع يمثل ثلث هذا التدفق فقط، وهو ما يتفق مع العديد من التجارب السابقة للجيل السابق. وبالتالي، لم تضيع النيوترينوات الشمسية في أي مكان - ببساطة، بعد أن ولدت في مركز الشمس على شكل نيوترينوات إلكترونية، تحولت بالفعل إلى نيوترينوات من نوع مختلف في طريقها إلى الأرض.

الفصل الثالث، مستمر

ثم، في مطلع القرن العشرين، أجريت تجارب أخرى على النيوترينو. وعلى الرغم من أن الفيزيائيين اشتبهوا منذ فترة طويلة في أن النيوترينوات تتأرجح، إلا أن Super-Kamiokande وSNO هما اللذان قدما حججًا لا يمكن دحضها - وهذه هي ميزتهما العلمية. بعد نتائجهم، حدث فجأة تحول طوري في فيزياء النيوترينو: اختفت المشاكل التي عذبت الجميع، وأصبحت التذبذبات حقيقة، وموضوع البحث التجريبي، وليس مجرد التفكير النظري. لقد شهدت فيزياء النيوترينو نموًا هائلًا وهي الآن واحدة من أكثر المجالات نشاطًا في فيزياء الجسيمات. يتم إجراء اكتشافات جديدة بانتظام هناك، ويتم إطلاق منشآت تجريبية جديدة في جميع أنحاء العالم - أجهزة كشف الغلاف الجوي والفضاء والمفاعلات والنيوترينوات المتسارعة - ويحاول الآلاف من المنظرين العثور على تلميحات للفيزياء الجديدة في معلمات النيوترينو المقاسة.

من المحتمل أنه عاجلاً أم آجلاً سيكون من الممكن في مثل هذا البحث العثور على نظرية معينة ستحل محل النموذج القياسي، وستربط عدة ملاحظات معًا وستسمح لنا بتفسير كتل النيوترينو وتذبذباته، والمادة المظلمة، وأصلها بشكل طبيعي. من عدم التماثل بين المادة والمادة المضادة في عالمنا، وغيرها من الألغاز. إن كون قطاع النيوترينو أصبح لاعبًا رئيسيًا في هذا البحث يرجع إلى حد كبير إلى Super-Kamiokande وSNO.

مصادر:
1) تعاون سوبر كاميوكاندي. دليل على تذبذب النيوترينوات الجوية // فيز. القس. بادئة رسالة.خامسا 81. نشرت في 24 أغسطس 1998.
2) تعاون SNO. قياس معدل ν ه +د→ص+ص+ه- التفاعلات التي تنتجها 8 بالنيوترينوات الشمسية في مرصد سدبوري للنيوترينو // فيز. القس. بادئة رسالة.خامسا 87. نشرت في 25 يوليو 2001.
3) تعاون SNO. دليل مباشر على تحول نكهة النيوترينو من تفاعلات التيار المحايد في مرصد سودبيري للنيوترينو // فيز. القس. بادئة رسالة.خامسا 89. نشرت في 13 يونيو 2002.