النيوترينوات هي جسيمات دون ذرية مراوغة تم إنشاؤها في مجموعة واسعة من العمليات النووية. يشير اسمهم ، الذي يعني "القليل المحايد" ، إلى حقيقة أنهم لا يحملون شحنة كهربائية. من بين القوى الأساسية الأربع في الكون ، تتفاعل النيوترينوات فقط مع الجاذبية والقوة الضعيفة ، المسؤولة عن التحلل الإشعاعي للذرات. بدون كتلة تقريبًا ، يندفعون عبر الكون بسرعة الضوء تقريبًا.
ظهرت عدد لا يحصى من النيوترينوات إلى أجزاء من الثانية بعد الانفجار الكبير. ويتم إنشاء النيوترينوات الجديدة طوال الوقت: في قلوب النجوم النووية وفي مسرعات الجسيمات والمفاعلات الذرية على الأرض ، أثناء الانهيار المتفجر للسوبرنوفا وعندما تتحلل العناصر المشعة. وهذا يعني أن هناك في المتوسط مليار النيوترينوات أكثر من البروتونات في الكون ، وفقًا للفيزيائي كارستن هيجر من جامعة ييل في نيو هافن ، كونيتيكت.
على الرغم من وجودها في كل مكان ، تظل النيوترينوات لغزًا إلى حد كبير للفيزيائيين لأن الجسيمات يصعب التقاطها. تتدفق النيوترينوات عبر معظم المواد كما لو كانت أشعة خفيفة تمر عبر نافذة شفافة ، ونادرا ما تتفاعل مع كل شيء آخر موجود. يمر ما يقرب من 100 مليار نيوترينو عبر كل سنتيمتر مربع من جسمك في هذه اللحظة ، على الرغم من أنك لن تشعر بشيء.
اكتشاف الجسيمات غير المرئية
تم طرح النيوترينوات لأول مرة كإجابة للغموض العلمي. في أواخر القرن التاسع عشر ، كان الباحثون يحيرون حول ظاهرة تعرف باسم اضمحلال بيتا ، حيث تنبعث النواة داخل الذرة إلكترونًا تلقائيًا. بدا أن انحلال بيتا ينتهك قانونين أساسيين أساسيين: الحفاظ على الطاقة والحفاظ على الزخم. في اضمحلال بيتا ، بدا أن التكوين النهائي للجسيمات لديه طاقة قليلة جدًا ، وكان البروتون ثابتًا بدلاً من أن يطرق في الاتجاه المعاكس للإلكترون. في عام 1930 ، اقترح الفيزيائي فولفجانج باولي فكرة أن جسيمًا إضافيًا قد يطير خارج النواة ، حاملاً معه الطاقة المفقودة والزخم.
قال بولي لصديق "لقد فعلت شيئًا فظيعًا. لقد افترضت جسيمًا لا يمكن اكتشافه" ، مشيرًا إلى حقيقة أن النيوترينو الذي افترضه كان شبحيًا لدرجة أنه بالكاد سيتفاعل مع أي شيء ولن يكون له كتلة قليلة أو معدومة. .
بعد أكثر من ربع قرن ، قام الفيزيائيون كلايد كوان وفريدريك رينز ببناء كاشف نيوترينو ووضعه خارج المفاعل النووي في محطة طاقة نهر سافانا الذرية في ولاية كارولينا الجنوبية. نجحت تجربتهم في انتزاع بضع مئات من تريليونات النيوترينوات التي كانت تحلق من المفاعل ، وأرسل كوان ورينز بفخر برقية لإبلاغه بتأكيدها. واصل رينز الفوز بجائزة نوبل في الفيزياء في عام 1995 - بحلول ذلك الوقت ، مات كوان.
لكن منذ ذلك الحين ، تحدت النيوترينوات باستمرار توقعات العلماء.
تنتج الشمس أعدادًا هائلة من النيوترينوات التي تقصف الأرض. في منتصف القرن العشرين ، بنى الباحثون كاشفات للبحث عن هذه النيوترينوات ، لكن تجاربهم استمرت في إظهار تناقض ، واكتشفت فقط حوالي ثلث النيوترينوات التي تم التنبؤ بها. إما أن هناك خطأ ما في نماذج الفلكيين للشمس ، أو يحدث شيء غريب.
أدرك الفيزيائيون في النهاية أن النيوترينوات من المحتمل أن تأتي بثلاث نكهات أو أنواع مختلفة. يُطلق على النيوترينو العادي اسم نيوترينو الإلكترون ، ولكن هناك أيضًا نكهتان أخريان: ميو نيوترينو وتو نيوترينو. أثناء مرورها عبر المسافة بين الشمس وكوكبنا ، تتأرجح النيوترينوات بين هذه الأنواع الثلاثة ، وهذا هو السبب في أن هذه التجارب المبكرة - التي تم تصميمها فقط للبحث عن نكهة واحدة - ظلت تفتقد إلى ثلثي عددها الإجمالي.
لكن الجسيمات التي لها كتلة فقط هي التي يمكن أن تخضع لهذا التذبذب ، متناقضة مع الأفكار السابقة التي تقول أن النيوترينوات كانت بلا كتلة. في حين لا يزال العلماء لا يعرفون الكتل الدقيقة لجميع النيوترينوات الثلاثة ، فقد حددت التجارب أن أثقلها يجب أن يكون على الأقل 0.0000059 مرة أصغر من كتلة الإلكترون.
قواعد جديدة للنيوترينو؟
في عام 2011 ، تسبب باحثون في مشروع التذبذب مع تجربة جهاز التصفية (OPERA) في إيطاليا في إحساس عالمي بإعلانهم أنهم اكتشفوا النيوترينوات التي تسافر أسرع من سرعة الضوء - وهي مؤسسة يفترض أنها مستحيلة. على الرغم من نشرها على نطاق واسع في وسائل الإعلام ، فقد قوبلت النتائج بقدر كبير من الشك من المجتمع العلمي. بعد أقل من عام ، أدرك الفيزيائيون أن الأسلاك المعيبة قد تحاكي اكتشافًا أسرع من الضوء ، وعادت النيوترينوات إلى عالم الجسيمات الملتزمة بالقانون.
لكن لا يزال أمام العلماء الكثير ليتعلموه عن النيوترينوات. في الآونة الأخيرة ، قدم باحثون من تجربة Mini Booster Neutrino (MiniBooNE) في مختبر Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) بالقرب من شيكاغو أدلة دامغة على أنهم اكتشفوا نوعًا جديدًا من النيوترينو ، يسمى النيوترينو المعقم. يؤيد مثل هذا الاكتشاف شذوذًا سابقًا شوهد في كاشف النيوترينو السائل Scintillator (LSND) ، وهي تجربة في مختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو. ستقلب النيوترينوات المعقمة جميع الفيزياء المعروفة لأنها لا تتناسب مع ما يُعرف بالنموذج القياسي ، وهو إطار يشرح تقريبًا جميع الجسيمات والقوى المعروفة باستثناء الجاذبية.
إذا صمدت نتائج MiniBooNE الجديدة ، "سيكون ذلك ضخمًا ؛ هذا يتجاوز النموذج القياسي ؛ سيتطلب جزيئات جديدة ... وإطارًا تحليليًا جديدًا تمامًا" ، أخبرت فيزيائية الجسيمات كيت شولبرغ من جامعة ديوك Live Science.
