رصدت نيوترينوات “شبحية” داخل أكبر مسرع للجسيمات في العالم لأول مرة
لأول مرة ، ابتكر الفيزيائيون واكتشفوا “جسيمات شبحية” عالية الطاقة داخل أكبر محطم ذرة في العالم. يمكن أن تساعد النتائج في الكشف عن أسرار كيفية تحول النجوم إلى مستعر أعظم.
الجسيمات الصغيرة ، والمعروفة باسم النيوترينوات، بواسطة كاشف النيوترينو FASER في مصادم الهادرون الكبير (LHC) – أكبر مسرع للجسيمات في العالم ، يقع في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) بالقرب من جنيف ، سويسرا.
تكتسب النيوترينوات لقبها الطيفي لأن شحنتها الكهربائية غير الموجودة وكتلتها الصفرية تقريبًا تعني أنها بالكاد تتفاعل مع أنواع أخرى من المادة. طبقًا لللقب الشبحي ، تطير النيوترينوات عبر المادة العادية بسرعة تقترب من سرعة الضوء. الفيزيائيون قدموا نتائجهم (يفتح في علامة تبويب جديدة) في المؤتمر السابع والخمسين للتفاعلات الكهروضعيفة والنظريات الموحدة Rencontres de Moriond في لا تويلي بإيطاليا في 19 مارس.
متعلق ب: تنفجر جسيمات النيوترينو الشبحية من مجرة قريبة ، والعلماء ليسوا متأكدين من السبب
“لقد اكتشفنا النيوترينوات من مصدر جديد تمامًا – مصادمات الجسيمات – حيث لديك حزمتان من الجسيمات تتصادمان معًا بطاقة عالية للغاية ،” جوناثان فينج (يفتح في علامة تبويب جديدة)، عالم فيزياء في جامعة كاليفورنيا ، إيرفين ومتحدث باسم FASER Collaboration ، قال في بيان (يفتح في علامة تبويب جديدة).
في كل ثانية ، يمر حوالي 100 مليار نيوترينوات عبر كل سنتيمتر مربع من جسمك. الجسيمات الدقيقة موجودة في كل مكان – تنتج في النيران النووية للنجوم ، في انفجارات السوبرنوفا الهائلة ، عن طريق الأشعة الكونية والانحلال الإشعاعي ، وفي مسرعات الجسيمات والمفاعلات النووية على الأرض. في الواقع ، النيوترينوات ، التي تم اكتشافها لأول مرة وهي تخرج من مفاعل نووي في عام 1956 ، تأتي في المرتبة الثانية بعد الفوتونات باعتبارها أكثر الجسيمات دون الذرية وفرة في الكون.
ولكن على الرغم من انتشارها في كل مكان ، فإن تفاعلات الجسيمات عديمة الشحنة والقريبة من الكتلة مع المواد الأخرى تجعل من الصعب للغاية اكتشافها. على الرغم من ذلك ، من أشهر تجارب الكشف عن النيوترينو – مثل كاشف Super-Kamiokande الياباني ، و MiniBooNE من Fermilab ، وكاشف القطب الجنوبي IceCube – اكتشفت سابقًا نيوترينوات مولدة بالطاقة الشمسية.
لكن النيوترينوات التي تصل إلينا من الشمس ليست سوى شريحة صغيرة واحدة من جسيمات الأشباح الموجودة هناك. على الطرف الآخر من طيف الطاقة ، توجد النيوترينوات عالية الطاقة الناتجة عن انفجارات مستعر أعظم عملاقة وفي زخات الجسيمات عندما تصطدم جسيمات الفضاء السحيق بالغلاف الجوي للأرض. ظلت هذه الأشباح عالية الطاقة لغزا للعلماء حتى الآن.
“هذه النيوترينوات عالية الطاقة في LHC مهمة لفهم الملاحظات المثيرة حقًا في الفيزياء الفلكية للجسيمات ،” جيمي بويد (يفتح في علامة تبويب جديدة)، عالم فيزياء الجسيمات CERN والمتحدث المشارك باسم FASER ، قال في البيان. يمكن أن تساعد الاكتشافات الجديدة في تفسير كيفية احتراق النجوم وانفجارها ، وكيف تؤدي تفاعلات النيوترينو عالية الطاقة إلى إنتاج جسيمات أخرى في الفضاء.
للقبض على الأطياف دون الذرية ، بنى الفيزيائيون سمور لاكتشاف الجسيمات. صفائح معدنية كثيفة من الرصاص والتنغستن شطيرة طبقات متعددة من المادة اللزجة التي تكشف الضوء تسمى مستحلب. عندما تصطدم حزم البروتونات عالية الطاقة ببعضها البعض داخل مصادم الهادرونات الكبير ، فإنها تنتج وابلًا من جسيمات ناتج ثانوي ، جزء صغير منها نيوترينوات ، تدخل السمور. ثم تصطدم النيوترينوات الناتجة عن هذه الاصطدامات بالنواة الذرية في الصفائح المعدنية الكثيفة ثم تتحلل إلى جسيمات أخرى. تعمل طبقات المستحلب بطريقة مشابهة لفيلم التصوير الفوتوغرافي القديم ، حيث تتفاعل مع المنتجات الثانوية للنيوترينو لطبع الخطوط العريضة المتتبعة للجسيمات أثناء مرورها عبرها.
من خلال “تطوير” هذا المستحلب الشبيه بالفيلم وتحليل مسارات الجسيمات ، اكتشف الفيزيائيون أن بعض العلامات نتجت عن نفاثات جسيمات صنعتها نيوترينوات تمر عبر الصفائح ؛ يمكنهم حتى تحديد أي من “نكهات” الجسيمات الثلاثة للنيوترينو – تاو أو الميون أو الإلكترون – قد اكتشفوه. تم تحديد النيوترينوات الستة التي رصدتها هذه التجربة لأول مرة في عام 2021. استغرق الفيزيائيون عامين لجمع بيانات كافية للتأكد من أنها حقيقية. الآن ، يتوقعون العثور على المزيد ، ويعتقدون أنه يمكنهم استخدامها لاستكشاف البيئات في جميع أنحاء الكون حيث تتكون جسيمات الأشباح عالية الطاقة.
