يعتبر النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات من أكثر الأعمال المذهلة في العلوم. إنه جهد صارم ودقيق لفهم ووصف ثلاث من القوى الأساسية الأربع للكون: القوة الكهرومغناطيسية ، والقوة النووية القوية ، والقوة النووية الضعيفة. الجاذبية غائبة لأنه حتى الآن ، كان تركيبها في النموذج القياسي صعبًا للغاية.
ولكن هناك بعض الثغرات في النموذج القياسي ، وأحدها ينطوي على كتلة النيوترينو.
تم اقتراح وجود النيوترينو لأول مرة في عام 1930 ، ثم تم اكتشافه في عام 1956. ومنذ ذلك الحين ، علم الفيزيائيون أن هناك ثلاثة أنواع من النيوترينو ، وهي وفيرة ومراوغة. يمكن للمرافق الخاصة فقط اكتشافها لأنها نادرًا ما تتفاعل مع المواد الأخرى. هناك العديد من المصادر لها ، وبعضها كان ينطلق في الفضاء منذ الانفجار الكبير ، لكن معظم النيوترينوات القريبة من الأرض تأتي من الشمس.
يتنبأ النموذج القياسي بعدم وجود كتلة للنيوترينوات ، مثل الفوتونات. لكن علماء الفيزياء وجدوا أن الأنواع الثلاثة من النيوترينوات يمكن أن تتحول إلى بعضها البعض أثناء تحركها. وفقا للفيزيائيين ، يجب أن يكونوا قادرين على القيام بذلك فقط إذا كان لديهم كتلة.
لكن كم كتلة؟ هذا سؤال كان يلاحق علماء فيزياء الجسيمات. والإجابة على هذا السؤال هو جزء مما يدفع العلماء في KATRIN (تجربة كارلسروه تريتيوم نيوترينو).
"هذه النتائج التي توصل إليها تعاون KATRIN تقلل من نطاق الكتلة السابق للنيوترينو بعامل اثنين ..."
هاميش روبرتسون ، عالم كاترين وأستاذ فخري في الفيزياء في جامعة واشنطن.
توصل فريق من الباحثين إلى جزء من الإجابة على ذلك: لا يمكن أن تكون كتلة النيوترينو أكبر من 1.1 فولت إلكترون (eV). هذا هو الحد من الحد الأعلى لكتلة النيوترينو بحوالي 1 eV ؛ من 2 eV إلى 1.1 eV. من خلال البناء على التجارب السابقة التي وضعت الحد الأدنى للكتلة عند 0.02 فولت ، وضع هؤلاء الباحثون نطاقًا جديدًا لكتلة النيوترينو. يظهر أن النيوترينو يحتوي على أقل من 1/500000 كتلة الإلكترون. هذه خطوة مهمة في تقدم النموذج القياسي.
"إن معرفة كتلة النيوترينو سيسمح للعلماء بالإجابة على الأسئلة الأساسية في علم الكونيات والفيزياء الفلكية وفيزياء الجسيمات ..."
هاميش روبرتسون ، عالم KATRIN والأستاذ الفخري للفيزياء بجامعة واشنطن.
يأتي الباحثون وراء هذا العمل من 20 مؤسسة بحثية مختلفة حول العالم. إنهم يعملون مع KATRIN في معهد كارلسروه للتكنولوجيا في ألمانيا. يتميز مرفق KATRIN بمطياف عالي الدقة 10 متر مما يسمح له بقياس طاقات الإلكترون بدقة كبيرة.
قدم فريق KATRIN نتائجهم في مؤتمر 2019 Topics in Astroparticle and Underground Physics Conference في توياما ، اليابان ، في 13 سبتمبر.
قال هامش روبرتسون ، عالم KATRIN والأستاذ الفخري للفيزياء: "إن معرفة كتلة النيوترينو ستسمح للعلماء بالإجابة على الأسئلة الأساسية في علم الكونيات ، والفيزياء الفلكية ، وفيزياء الجسيمات ، مثل كيفية تطور الكون أو ما هو الفيزياء الموجود خارج النموذج القياسي". في جامعة واشنطن. "هذه النتائج التي توصل إليها تعاون KATRIN تقلل من نطاق الكتلة السابق للنيوترينو بعامل اثنين ، وتضع معايير أكثر صرامة على كتلة النيوترينو بالفعل ، وتوفر مسارًا إلى الأمام لقياس قيمته بشكل نهائي".
من الصعب اكتشاف النيوتريونات ، على الرغم من أنها وفيرة. الفوتونات فقط هي الأكثر وفرة. كما يقول اسمه ، هم محايدون كهربائيا. وهذا يجعل اكتشافها صعبًا للغاية. هناك مراصد نيوترينو غارقة في أعماق الجليد في القطب الجنوبي ، وكذلك في مناجم مهجورة. غالبًا ما يستخدمون الماء الثقيل لإغراء النيوترونات للتفاعل. عندما يتفاعل النيوترينو ، فإنه ينتج إشعاع Cherenkov الذي يمكن قياسه.
قال روبرتسون: "إذا ملأت النظام الشمسي بالرصاص إلى ما بعد خمسين مرة خارج مدار بلوتو ، فسيظل حوالي نصف النيوترينوات المنبعثة من الشمس خارج النظام الشمسي دون التفاعل مع هذا الرصاص".
تطور تاريخ النيوترينو بمرور الوقت بتجارب مثل كاترين. في الأصل ، توقع النموذج القياسي أن النيوترينوات لن يكون لها كتلة. ولكن في عام 2001 ، أظهر كاشفان مختلفان أن كتلتهما غير صفرية. مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2015 لعلمين أظهروا أن النيوترينوات يمكن أن تتذبذب بين الأنواع ، مما يدل على أن لديهم كتلة.
يقيس مرفق KATRIN كتلة النيوترينوات بشكل غير مباشر. وهو يعمل عن طريق رصد تحلل التريتيوم ، وهو شكل عالي الإشعاع من الهيدروجين. عندما يتحلل نظير التريتيوم ، فإنه يصدر أزواجًا من الجسيمات: إلكترونًا ومضادًا للنيوترينو. يتشاركان معًا 18.560 فولتًا من الطاقة.
في معظم الحالات ، يشترك زوج الجسيمات في 18،560 eV بالتساوي. ولكن في حالات نادرة ، يخنق الإلكترون معظم الطاقة ، تاركًا النيوترينو قليلًا جدًا. هذه الحالات النادرة هي ما يركز عليه العلماء.
بسبب E = mC2 ، يجب أن تساوي كمية ضئيلة من الطاقة المتبقية للنيوترينو في هذه الحالات النادرة كتلته أيضًا. نظرًا لأن KATRIN لديه القدرة على قياس الإلكترون بدقة ، فإنه قادر أيضًا على تحديد كتلة النيوترينو.
قال بيتر دو ، أستاذ علوم الفيزياء من جامعة واشنطن ، والذي يعمل في KATRIN: "إن حل كتلة النيوترينو من شأنه أن يقودنا إلى عالم جديد شجاع لخلق نموذج قياسي جديد".
قد يكون لهذا النموذج القياسي الجديد الذي يذكره Doe القدرة على احتساب المادة المظلمة ، والتي تشكل معظم المادة في الكون. قد تكتشف جهود مثل KATRIN ذات يوم نوعًا رابعًا آخر من النيوترينو يسمى النيوترينو المعقم. حتى الآن هذا النوع الرابع هو مجرد تخمين ، ولكنه مرشح للمادة المظلمة.
قال دو "النيوترينو هي جزيئات صغيرة غريبة". "إنهم موجودون في كل مكان ، وهناك الكثير الذي يمكن أن نتعلمه بمجرد تحديد هذه القيمة."
إن إظهار أن للنيوترينات كتلة ، وتقييد نطاق تلك الكتلة ، أمران مهمان. لكن فيزيائيي الجسيمات لا يزالون لا يعرفون كيف يكسبون كتلتهم. ربما تكون مختلفة عن كيفية حصول الجزيئات الأخرى على جزيئاتها.
تساعد نتائج كهذه من KATRIN في سد فجوة في النموذج القياسي ، وفي فهمنا الشامل للكون. الكون مليء بالنيوترينات القديمة من الانفجار العظيم ، وكل تقدم في كتلة النيوترينو يساعدنا على فهم كيفية تشكل الكون وتطوره.
أكثر:
- بيان صحفي: KATRIN يخفض تقدير كتلة النيوترينو بعيد المنال إلى النصف
- معهد كارلسروه للتكنولوجيا: كاترين
- سيرن: النموذج القياسي
- مجلة التناظر: خمسة ألغاز لا يمكن للنموذج القياسي تفسيرها
- MIT News: 3Q: يحلق العلماء تقدير كتلة النيوترينو إلى النصف
