“`html
يُعدّ مرصد جيانغمن تحت الأرض للنيوترينو (JUNO)، قيد الإنشاء حاليًا، على وشك كشف أسرار الجسيم دون الذري الأكثر غموضًا في الطبيعة: النيوترينو. قد يُقدم في نهاية المطاف الأجزاء المفقودة من “نظرية كل شيء” الموحدة.
في كهف ضخم، على عمق 700 متر (تقريبًا 2300 قدم) تحت تل مُغطّى بالأشجار في جنوب الصين، يجري بناء أداة علمية استثنائية.
يُعدّ مرصد جيانغمن تحت الأرض للنيوترينو (JUNO)، وهو كرة مُكوّنة من 20,000 طن (تقريبًا 19,700 طن) من سائل الكاشف، محاطة بـ 43,000 كاشف ضوئي فائق الحساسية، على وشك استكشاف أسرار الجسيم دون الذري الأكثر غموضًا في الطبيعة: النيوترينو.
“`
«لقد واجهنا صعوبات وتحديات كثيرة في بناء مشروع JUNO»، يقول الدكتور ييفانغ وانغ، مدير التجربة الصينية، الذي ابتكر مفهوم التصميم في عام 2008 بعد قراءة بحثٍ من قبل عالم النظرية الإيطالي البروفيسور سيرغي بيتكوف.
«يُعد مشروع JUNO إنجازًا هندسيًا هائلاً»، تقول البروفيسورة جينيفر توماس، فيزيائية الجسيمات في كلية لندن الجامعية، وعضوة في اللجنة الاستشارية الدولية للتجربة الصينية. «ومن المقرر أن يبدأ التشغيل في عام 2025 ونحن متحمسون للغاية لهذا الأمر».
النيوترينوات هي ثاني أكثر الجسيمات دون الذرية شيوعًا في الكون بعد فوتونات الضوء. وهي وفيرة في البيئات المتطرفة، لكنها عمليًا ترفض التفاعل مع أي نوع من المادة المادية، ومن هنا تُعرف عادةً بـ «الجسيمات الشبحية».
ارفع إصبعك السبابة. يُمرُّ عبر ظُفْرِكَ السبابة حوالي مئة مليار نيوترينو في كل ثانية. وُلدت هذه النيوترينوات من التفاعلات النووية التي تولد ضوء الشمس. وكانت قبل ثمانية ونصف دقائق في قلب الشمس.
تتفاعل النيوترينوات مع ذرات المادة في حالات نادرة للغاية. ظُفْرُكَ لا يكفي إطلاقاً لإيقافها.
كما لاحظ الروائي الأمريكي مايكل تشابون: “ثمانية سنوات ضوئية صلبة من الرصاص… هي سمك المعدن الذي تحتاج إلى إحاطة نفسك به إذا أردت تجنب لمس النيوترينوات.”
بسبب صعوبة اصطياد هذه الجسيمات، استراتيجية الفيزيائيين هي وضع عدد كبير جداً من النوى الذرية في مسار النيوترينوات، مما يزيد من فرصة إيقاف بعضها على الأقل. لهذا السبب الهدف البالغ 20,000 طن من السائل في تجربة JUNO المقدرة بتكلفة 300 مليون دولار (تقريباً 229 مليون جنيه إسترليني).
على الرغم من قدرة مشروع جُنُو على اكتشاف النيوترينوات الشمسية، فإن مصدرها الرئيسي سيكون أقرب إلى المنزل: حشود هائلة منها، تتدفق من محطتين نوويتين قريبتين. يقول توماس: “لدينا معرفة أكثر بالنيوترينوات المُصنّعة من قبل الإنسان من تلك التي صنعها الله”.
تتكون إحدى المحطات النووية، في يانججينغ، من ستة مفاعلات؛ والأخرى، في تايشان، من مفاعلين. النيوترينوات – في الواقع، هي مضادات النيوترينوات، نظائر المادة المضادة للنيوترينوات – تأتي من تحلل (الاضمحلال بيتا) النوى الذرية غير المستقرة المُنشأة في انشطار (الانشطار) وقود اليورانيوم والبلوتونيوم الذي يعمل به المفاعلات.
التعاون الدولي
“`
يُعدّ مشروع جُنُو، الواقع بالقرب من مدينة جيانغمن في مقاطعة قوانغدونغ الريفية، تعاونًا لِنحو 700 عالِم من 76 مؤسسةً في 18 دولة. وقد تمّ اختيار موقعه تحديدًا على بُعد 52.5 كيلومترًا (32.6 ميلًا) من كل مفاعل نووي.
هذا يُعظم فرصة أن تُغيّر النيوترينوات المضادة شخصياتها خلال رحلتها إلى التجربة تحت الأرض. إذ لا يوجد نوع واحد فقط من النيوترينو ونوع واحد من النيوترينو المضاد؛ بل يوجد ثلاثة من كل نوع. و، أثناء سفرها، تتغيّر دوريًا من نوعٍ إلى آخر.
لم يشك أحد في هذا السلوك الغريب، “الاهتزازي”، حتى ستينيات القرن العشرين عندما قام الفيزيائي الأمريكي الدكتور ريموند ديفيس ببناء كاشف نيوتريني يتكون من 100,000 جالون من سائل التنظيف على عمق 1.5 كيلومتر (تقريبًا ميل واحد) داخل منجم في ليد، جنوب داكوتا.
كان يبحث عن ذرات الكلور في كاشفه التي تتحول إلى الأرجون عندما تتفاعل مع النيوترينوات الشمسية. اعتقد العلماء الآخرون أن ديفيس مجنون. ومع ذلك، ولدهشة الجميع، لم يكتشف سوى ثلث النيوترينوات المتوقعة أن تأتي من التفاعلات النووية التي تولد الضوء الشمسي.
أوضح علماء الفيزياء لاحقًا نتيجة ديفيس في مرصد نيوترينوات سادبري في أونتاريو، وحصل أحدهم، البروفيسور آرثر ماكدونالد، على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2015 بسبب ذلك.
تبين وجود ثلاثة أنواع من النيوترينو: النيوترينو الإلكتروني، المرتبط بالإلكترون؛ والنيوترينو الميوني، المرتبط بالميون الأثقل؛ والنيوترينو التاو، المرتبط بجسيم التاو الأثقل منه.
الأغرب من ذلك أن النيوترينوهات لها ثلاث حالات كتلة – m1 و m2 و m3 – لكنها ليست هي نفسها “حالات النكهة”. بدلاً من ذلك، كل نكهة عبارة عن مزيج مختلف، أو “تراكب”، من موجات الاحتمال المرتبطة بكل كتلة.
والأهم من ذلك، أن الموجات داخل التراكب تسير بسرعات مختلفة. لذلك، مع تحرك النيوترينوهات، يتغير المزيج. يتحول النيوترينو الإلكتروني إلى نيوترينو ميوني ثم إلى نيوترينو تاو، قبل التكرار.
لذلك حدث نقص ديفيس في النيوترينوهات الشمسية بسبب أن كاشفه كان حساسًا فقط للنيوترينوهات الإلكترونية، والنيوترينوهات الشمسية تكون نيوترينوهات إلكترونية لمدة ثلث الوقت فقط!
أخف جسيم مشترك
تملك النيوترينوات كتلاً ضئيلة للغاية مقارنةً بجسيمات دون الذرية الأخرى – فهي أخف بمليون مرة تقريبًا من الإلكترون، وهو أخف جسيم دون ذري مشترك. لا يعرف أحد كتلتها بدقة، أو حتى ما إذا كانت كتلة نيوترينو الميون أقل أو أكبر من كتلة نيوترينو التاو. وهنا يأتي دور مشروع جونو.
يُصمم التجربة الصينية لقياس “تسلسل الكتل”: ما إذا كانت كتل النيوترينوات تزداد بالتزامن مع زيادة كتل الإلكترون والميون والتاو (تسلسل كتل طبيعي)، أو ما إذا لم يكن هذا هو الحال، وهناك “تسلسل كتل معكوس”.
لقد حدد الفيزيائيون بالفعل أن m2 أثقل قليلاً من m1 وأن هناك فرقًا أكبر في الكتلة بين m3 والدولتين الحالتين للكتلة الأخريين. لتحديد التسلسل الهرمي للكتل، يعتزم مشروع JUNO تحديد القطعة المفقودة من اللغز: ما إذا كانت m3 أكبر من m1 أو العكس.
من بين 500 مليار مليار نيوترينو في الثانية المنبعثة من محطّتي الطاقة النووية، يتوقع فيزيائيّو مشروع جُنُو اكتشاف حوالي 40 إلى 60 مضاد نيوترينو يوميًا. والإشارة التي يبحثون عنها دقيقة للغاية، حيث يُقدّرُون أنهم سيحتاجون إلى تسجيل 100,000 حدثٍ لتمييزها عن الإشارة الخلفية، وهو ما سيستغرق حوالي ست سنوات.
يقول توماس: “سيُكتشف مشروع جُنُو مضادات النيوترينو الإلكترونية المنبعثة من المفاعلين النوويين لتحديد النسبة المفقودة من العدد المتوقع بسبب تحوّلها إلى نيوترينوات ميو أو تاو”.
ترتبط احتمالية التحوّل بدقة بحجم m3 بالنسبة إلى m1، وبالتالي، ما إذا كانت التسلسل الهيكلي للكتلة طبيعيًا أم معكوسًا.
الإشارة التي يكتشفها مشروع جُنُو هي الضوء الناتج عن تفاعل مضاد النيوترينو مع بروتون في سائل الكاشف الشفاف – المعروف باسم “المُضيء” – مما يخلق بوزيترونًا ونيوترونًا.
يلتقي البوزيترون بسرعة بالإلكترون، جسيم مضاده، وينهار إلى ضوء عالي الطاقة يُعرف بالأشعة غاما. يتجول النيوترون لحوالي 200 ميكروثانية قبل الاندماج مع نواة ذرية بإطلاق أشعة غاما.
تسبب هذه الأشعة المُشعّة المُضيئة المُنتجة للضوء في الكاشف المُضيء، والذي يُلتقط بواسطة مُحسّنات الضوء (أنابيب الضرب الضوئية) حول كرة الكاشف المُضيء، مما يسمح باستنتاج مسار وطاقة النيوترينو المُضاد المُصطدم.
إشارة “الوميض المزدوج”، التي تحتوي على فاصل زمني قدره 200 ميكروثانية، تُمكّن علماء مشروع JUNO من استبعاد الأحداث الخلفية المُضللة التي يمكن أن تُحفّز أيضًا مُحسّسات الضوء، مثل تلك التي تُنشئها المُيونات (جسيمات عالية الاختراق تنشأ عندما تصطدم الجسيمات عالية الطاقة القادمة من الفضاء بذرات في أعلى الغلاف الجوي).
لهذا السبب، يُدفن مشروع JUNO تحت 700 متر (تقريبًا 3000 قدم) من الصخور – لحمايته من أكبر عدد ممكن من المُيونات.
فيزياء جديدة
إذا بدا معرفة ما إذا كان التسلسل الهرمي لكتلة النيوترينو طبيعيًا أم معكوسًا غامضًا، فإنه يتضح أن أي شيء نتعلمه عن النيوترينوات لديه القدرة على الإشارة إلى فيزياء جديدة مثيرة.
يقول البروفيسور باتريك هوبير، فيزيائي نظري في معهد ولاية فرجينيا للتكنولوجيا في الولايات المتحدة الأمريكية: “لقد تم التنبؤ بالنيوترينوات في ثلاثينيات القرن الماضي واكتشافها في خمسينيات القرن الماضي. ومع ذلك، فإننا نعرف أقل عن النيوترينوات مما نعرفه عن جسيم هيغز، الذي اكتشف مؤخراً في عام 2012”.
في الوقت الحالي، أفضل نظرية فيزيائية لدينا هي النّموذج القياسي. فهو يُمثّل ذروة 350 عامًا من الفيزياء، ويوفر وصفًا ناجحًا للغاية لكيفية تفاعل اللبنات الأساسية للمادة – الكواركات واللبتونات – عبر القوى الأساسية الثلاث.
اقرأ المزيد:
لكن النموذج القياسي لا يُخبرنا عن سبب امتلاك الجسيمات الأولية للكتل التي تمتلكها – لماذا، على سبيل المثال، الكوارك العلوي أثقل بمليون مرة من الإلكترون – أو لماذا تمتلك القوى القوى التي تمتلكها. وبشكل حاسم، لم يتنبأ النموذج القياسي بأن النيوترينوات ستكون لها كتلة.
النيوترينو، باختصار، هو صدعٌ رفيعٌ في بناء النموذج القياسي. والآمال معقودةٌ على تحديد التسلسل الهرمي للكتلة لتوفير أدلة على نظريةٍ أعمقٍ لـ “كل شيء”، حيثُ يُعدّ النموذج القياسي تقريبًا منها.
كما يُشتبه بقوةٍ بأن العمليات التي تنطوي على النيوترينو لعبت دورًا في خلق كونٍ مكوّنٍ من المادة مع قليلٍ جدًّا من المادة المضادة، وهو أحد أكبر ألغاز علم الكونيات.
ولكن تحديد التسلسل الهرمي للكتلة مهمٌ لسبب آخر. فالنّيوترينو، كونه ثاني أكثر الجسيمات دون الذرية شيوعًا في الكون، كان له تأثيرٌ كبيرٌ على تطور الكون.
كلما زادت كتلتهم، زادت جاذبيتهم، وبالتالي انطلقت المادة في الكون ببطء أكبر بعد الانفجار العظيم. كما أن النيوترينوات ذات الكتل الأكبر تُعطل تشكل المجرات، مما ينتج عنه كونٌ تكون فيه المجرات وعناقيد المجرات أصغر وأقل كتلة مما هي عليه في كونٍ يحتوي على نيوترينوات أقل كتلة.
قيد الإنشاء
تستمر الأعمال بوتيرة متسارعة في تجميع مشروع JUNO. يعمل عمال البناء بقبعة واقية وقميص عمل على ركوب قطار خاص ينزل من منحدر شديد يبلغ طوله 1200 متر (تقريباً 4000 قدم) للوصول إلى غرفة التجربة ذات قطر 44 متر (144 قدم). في 7 مارس، بدأ المهندسون بضخ مادة مُشعّلة – مزيج من الألكيل بنزين خطي ومذيب – في نسخة مصغّرة من الحاوية الكروية.
كان عليهم إثبات إمكانية إتمام هذا العمل دون أي عائق، لأنه بمجرد بدء سكب ٢٠ ألف طن من السائل في الكرة الأكريليك ذات القطر ٣٥.٤ متر (١١٦ قدم) من مشروع جُنُوّ الكامل، لن يكون هناك مجال للعودة.
يحتوي المُشعّع على كميات ضئيلة للغاية من المواد المشعة، التي يمكن أن تُسبب إشارة خلفية مُربكة، و ضخّه وإعادته مرة أخرى قد يُعرّض هذه النقاء المُطلق للخطر.
يقول وانغ إنّ فريق جُنُوّ واجه العديد من المشاكل، بما في ذلك تحقيق مستوى كافٍ من الشفافية والنقاء في المُشعّع، وصنع العدد الكبير من أنابيب الضوئيات المُضاعفة، والحد من تسرب المياه عبر الجبل إلى غرفة التجربة.
يقول وانغ: “لقد كانت مفاجأة كبيرة أن الألواح الموجودة في الكرة الأكريليك تعاني من إجهاد داخلي أكبر مما توقّعناه. نعتقد أننا حُلّينا المشكلة لفترة عمر جُنُوّ البالغة ٣٠ عامًا، لكننا لسنا متأكدين بنسبة ١٠٠%”.
«على عدة مستويات، تجاوز مشروع جونيون حدودًا جديدة: الحصول على مُشعّاتٍ شفافة بما يكفي، وبناء وعاء داخلي أكريليكي ضخم، وإنشاء مصنع لأنابيب ضوئية مُضاعفة ضخمة من نوع جديد»، حسبما قال هوبير.
«إنّ حقيقة أن هذا المشروع الطموح يُبقي على جدوله الزمني الأصلي، ويحقق جميع المعالم التكنولوجية الرئيسية، أمرٌ مُذهل.»
في عام 2025، عندما يبدأ تشغيله، لن يقدم مشروع جونيون إجابات فقط على بعض الأسئلة الأساسية حول النيوترينوات، بل سيكون قادرًا أيضًا على رصد “نيوترينوات الأرض” المُنبعثة من التّحلّل الإشعاعي لليورانيوم والثوريوم بعمق داخل الأرض.
بما أن هذه العمليات الإشعاعية تُحافظ على سُخونة باطن الكوكب، بعد 4.55 مليار عام من ولادته، فإن نيوترينوات الأرض ستُمكن العلماء من تصوّر الحركة الدّوامة في الوشاح بعمق داخل الأرض. ومن المتوقع أن يُسجّل مشروع جونيون خلال عامٍ واحد 400 نيوترينو أرضي – وهو ما يفوق العدد الإجمالي المُكتشف حتى الآن.
ستتمكن جُنُو أيضًا من اكتشاف النيوترينوات من الشمس ومن النجوم الضخمة التي تنفجر كسُوبرنوفا. وإذا كنت تعتقد أن النيوترينوات لا علاقة لها بك، فإن السوبرنوفا هي التي تربط هذه الجسيمات الغامضة بوجودك مباشرةً.
يتم إطلاق كميات هائلة عندما ينهار نجم في نهاية عمره لتكوين نجم نيوتروني فائق الكثافة، وهي تدفع انفجار طبقاته الخارجية. لو لم تقم النيوترينوات بهذا، فإن العناصر الثقيلة مثل الكربون والكالسيوم والحديد، التي تشكلت من خلال التفاعلات النووية على مدار حياة النجوم الضخمة، ستبقى محبوسة داخلها إلى الأبد.
بمعنى آخر، لن تكون هناك عناصر ثقيلة لصنع نجم مثل الشمس، أو كوكب صخري مثل الأرض، أو أشخاص مثل أنت وأنا.
خلال العقد المقبل، عندما تحدد مهمة جونو التسلسل الهرمي للنيوترينو المُتوارٍ، ينوي وانغ ترقية التجربة للبحث عن عملية تُعرف باسم تحلل بيتا المزدوج بدون نيوترينو. سوف يحدث هذا فقط إذا كان النيوترينو هو مضاده لنفسه، بحيث تلغي النيوترينون المتورطتان في تحللي بيتا المزدوج بعضهما البعض.
“سيخبرنا هذا بشيء آخر لا نعرفه عن النيوترينو، ويساعدنا على تحديد النظرية الصحيحة التي تصف هذه الجسيمات الرائعة والمُتوارية”، يقول وانغ.
خبرائنا
الأستاذة جينيفر توماس أستاذة في علم النفس بجامعة كوليدج، لندن. حصلت على بكالوريوس العلوم (مع مرتبة الشرف) من جامعة لندن، ودكتوراه الفلسفة من جامعة أكسفورد، وكانت باحثة علمية في معهد ماكس بلانك، ميونخ قبل أن تصبح عالِمة في مختبر مُسرّع الجسيمات الفائق التوصيل في دالاس، تكساس.
“`html
بعد ذلك، انضمت إلى جامعة أكسفورد كمسؤولة بحثية قبل انتقالها إلى جامعة كوليدج لندن عام 1997.
بروفيسور باتريك هوبر، هو مدير مركز فيزياء النيوترينو وأستاذ الفيزياء في جامعة فيرجينيا التقنية. وقبل ذلك، حصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء من جامعة ميونيخ التقنية. وفي وقت لاحق، انضم إلى جامعة فيرجينيا التقنية كأستاذ مساعد في الفيزياء، ليصبح فيما بعد أستاذاً مشاركاً، ثم رئيساً لقسم.
الدكتورة ييفانغ وانغ هي فيزيائية جسيمات ومتسارع، بالإضافة إلى كونها مديرة معهد فيزياء الطاقة العالية (IHEP) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم في بكين. ولديها درجة بكالوريوس في الفيزياء من جامعة نانجين، ودكتوراه في الفيزياء من جامعة فلورنسا.
“`
المصدر: المصدر