تقنية

قد تساعدنا النيوترينو على فهم كيفية انتشار المادة على المادة المضادة

كل ما نراه في الكون مصنوع من مادة ، وما كنا لنوجد بدونه. بالنسبة للفيزيائيين ، هذه مشكلة في الواقع. من منظور الفيزياء التي تصف سلوك الجسيمات والمادة والمادة المضادة متكافئة. فيما يتعلق بالنموذج القياسي للجسيمات ، لا يوجد سبب يمنعنا من رؤية كميات متساوية من المادة والمادة المضادة – أو ، بشكل صحيح أكثر ، الفوتونات التي خلفتها بعد أن تلتقي وتبيد بعضها البعض.

لكي يكون هناك نوع من الاختلاف بين الاثنين مما يجعل كوننا ممكنًا ، يجب أن يكسر شيء ما التناظر الظاهري بينهما ( يطلق عليها تقنيًا اقتران الشحنة وتناظر عكس التكافؤ ، أو ببساطة تناظر CP). وقد حددنا بعض حالات انتهاكات تناظر CP. إنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكنها تفسير جميع الأمور في الكون.

الآن ، ما يقرب من عقد من البيانات من مرصد النيوترينو الرائد في العالم وجدت إشارة إلى أن هذه الجسيمات تعرض تلميحات بانتهاك تناظر CP قد تكون أكبر من ذلك بكثير. على الرغم من أن البيانات لا تصل إلى المستوى الذي يرغب فيه الفيزيائيون في تسميته باكتشاف ، إلا أنها تستحق المتابعة بالتأكيد عندما تأتي أجهزة الكشف الإضافية عبر الإنترنت.

قضايا الهوية

النيوترينوات هي أخف الجسيمات التي ندركها ، وهي بالكاد تتفاعل مع المواد الأخرى. فكيف يمكن أن تكون مفتاح وجود المادة؟ الجواب هو أنهم ليسوا حقًا مفتاح عملية إنتاج المادة الزائدة بقدر ما قد يعرضون السلوكيات التي يمكن أن تساعدنا في تحديد كيفية إنتاج الجسيمات الأخرى للمادة الزائدة. لفهم السبب ، علينا أن نقوم بتحويل فكرة تسمى leptogenesis إلى العالم.

“lepto” في leptogenesis يأتي من مصطلح lepton ، الذي يشير إلى فئة كاملة من الجسيمات. وتشمل هذه الإلكترون المألوف ، إلى جانب أقاربه الأثقل ، الميون والتاو (كل منها له نظيرات مضادة للمادة) ، إلى جانب ثلاثة أنواع مقابلة من النيوترينوات ومضادات النيوترينو. Leptogenesis هي فكرة نظرية تصف سلوك اللبتونات مباشرة بعد الانفجار الكبير ، وتتضمن انتهاك تكافؤ CP الذي يكون كبيرًا بما يكفي لإنتاج فائض الكون. لسوء الحظ ، تكون leptogenesis نظرية تمامًا وتتضمن فيزياء تتجاوز النموذج القياسي المدعوم جيدًا.

في حين أن الفيزياء الكامنة وراء leptogenesis يمكن أن تنتج فقط قيمة الكون للمادة خلال الانفجار العظيم ، فإن الفيزياء يجب أن تحكم سلوك الجسيمات تحت بعض الظروف اليوم. وهنا يأتي دور النيوترينوات.

من بين القائمة الطويلة جدًا للسلوكيات الغريبة التي تعرضها النيوترينوات ، تبدو هذه الجسيمات فريدة من نوعها من حيث أنها لا تحتوي على هوية. بدلاً من ذلك ، يبدو أن كل نيوترينو هو تراكب كمّي لجميع أنواع النيوترينو الثلاثة – الإلكترون والميون والتاو. عندما نقيس النيوترينو ، نكتشف نوعًا واحدًا أو نكهة واحدة فقط. سيتم الكشف عن النيوترينو كإلكترون نيوترينو أو نيوترين ميون. ولكن إذا كنت تأخذ عددًا من النيوترينوات ، فستجد أن أعضائها يتأرجحون بين النكهات الثلاثة. لذلك إذا كنت تأخذ مجموعة من النيوترينات الميونية ، انتظر قليلاً ، ثم قمت بقياس تلك النيوترينوات ، فقد تجد بعض النيوترينونات الإلكترونية في المزيج.

كيف ترتبط تذبذبات النكهة هذه بتكوُّن اللبنيات؟ اتضح أن انتهاك التناظر CP سيحدث فرقًا طفيفًا بين سلوك التذبذب للنيوترينوات مقابل سلوك antineutrinos. لمعرفة هذا الاختلاف ، نحتاج ببساطة إلى قياس الكثير من تذبذبات النكهة.

Super-K

وهذا بالضبط ما تم تصميم مشروع T2K في اليابان للقيام به. ويستخدم مجمع أبحاث بروتون مسرع اليابان (J-PARC) لتحطيم البروتونات في هدف ثابت ، وإنتاج تيار من الجسيمات غير المستقرة. عندما تتحلل هذه الجسيمات ، فإنها تطلق بعض النيوترينات الميونية ، التي ترث بعضًا من الزخم وتتحرك على طول المسار نفسه ، مما يخلق شعاعًا من النيوترينوات. من خلال تحديد شحنة الجسيمات التي تنتج شعاع النيوترينو ، من الممكن التأكد من أن الشعاع يتكون من نيوترينات الميون أو مضادات النيوترينونات الميونية.

يتم فحص جزء من هذه الحزمة بواسطة كاشف في منشأة J-PARC لتأكيد تركيبة الحزمة. يتم إرسال الباقي عبر الأرض إلى كاشف النيوترينو Super-Kamiokande حول 300 كيلومترات. (لا يتطلب هذا نفقًا خاصًا ، حيث نادرًا ما تتفاعل النيوترينوات مع المادة ، لذلك فهي تمر إلى حد كبير عبر الأرض دون عوائق.) يوفر الوقت الذي تستغرقه هذه الرحلة للنيوترينوات فرصة للتذبذب ؛ في الواقع ، يتطابق T2K بين المسافة إلى الكاشف وطاقة النيوترينوات لزيادة فرصة التذبذب إلى أقصى حد.

Super-Kamiokande هو خزان ضخم من المياه فائقة النقاء محاطة بأجهزة الكشف الضوئي. عندما تتفاعل النيوترينوات مع أي من الجسيمات في نواة ذرات الماء ، فإنها تنتج جسيمًا مناظرًا ، إما إلكترونًا أو ميونًا (لا يكون الكاشف حساسًا لنيوترينو تاو). يتم التقاط الضوء الناتج عن انتقال هذه الجسيمات عبر الماء بواسطة أجهزة الكشف المحيطة ، والتي يمكن أن تميز بين الأنماط التي تنتجها الإلكترونات والميونات.

من خلال مقارنة الشعاع في المصدر والوجهة ، يمكن للباحثين قياس تواتر التذبذبات لكل من النيوترينوات ومضادات النيوترينوات.

للأسف ، نادرا ما تتفاعل مسألة النيوترينوات مع المادة على المادة في الكاشف نفسه. نتيجة لذلك ، تحتاج إلى جمع الكثير من البيانات لمراقبة عدد كبير من التذبذبات. في هذه الحالة ، أخذ الباحثون ما يقرب من عقد من البيانات ، تمتد الفترة من 2009 إلى 2018.

ريبة

إذا كانت الأمور بسيطة ، يمكن للباحثين فقط توليد معدلات التذبذب للنيوترينوهات ومضادات النيوترينو ومقارنة الاثنين. يجب أن يكون المصدر الوحيد للاختلافات بين هذه القيم هو تأثير انتهاكات تعادل CP ، لذلك يجب أن يسمح لنا أي اختلاف بحساب حجم انتهاك تعادل CP.

لكن الفيزياء نادرًا ما تكون بهذه البساطة. تعتمد معدلات التذبذب في المقام الأول على كتلة النيوترينو ، وليس لدينا قياسات كتلة دقيقة للغاية لهذه الجسيمات. يتطلب انتقاء النيوترينوات عند الكاشف أن يتفاعل مع أحد النيوترونات في نواة الذرة ، وهي عملية تنطوي على تفاعلات جسيمات متعددة. وكما قال الباحثون ، “إن نمذجة القوة النووية القوية في مشكلات متعددة الأجسام في هذه الطاقات ليست قابلة للحساب ،” بمعنى أنه يتعين عليهم القيام بذلك تقريبًا.

كل هذه القضايا تخلق درجة من عدم اليقين بشأن القيم التي يجب أن نتوقعها لقيم التذبذب المعنية هنا. حتى لو رأى الباحثون اختلافًا ، فمن المحتمل أن يكون الفرق صغيرًا بما يكفي بحيث يمكن تفسيره من خلال عدم اليقين بدلاً من انتهاك تعادل CP.

لحسن الحظ ، لا يبدو أن هذا هو الحال هنا ؛ في الواقع ، القيمة الأكثر ترجيحًا التي تشير إليها النتائج التجريبية هي الحد الأقصى لانتهاك تكافؤ CP الذي تنبأ به leptogenesis. ومع ذلك ، فإن عدم اليقين يعني أن البيانات تدعم وجود أي انتهاك للتكافؤ على مستوى ثلاثة انحرافات معيارية – أقل بكثير من معيار الفيزياء للاكتشاف. بعبارة أخرى ، فإن النتائج تقضي على معظم الحالات المحتملة التي حدثت فيها هذه النتائج دون وجود انتهاكات تعادل CP.

للحصول على نتائج أكثر تحديدًا ، سنحتاج ببساطة إلى مواصلة جمع البيانات. لحسن الحظ ، من المحتمل أن يكون ذلك أسهل قليلاً. من المرجح أن يحصل Super-Kamiokande على ترقية إلى كاشف أكبر. وسيشهد مشروع مقره الولايات المتحدة إرسال حزمة نيوترينو مولدة في Fermilab إلى كاشف في منجم ساوث داكوتا ، مما يوفر تجربة مماثلة. على الرغم من أن إنشاء البيانات سيستغرق سنوات لتضييق أوجه عدم اليقين بشكل أكبر ، فإن وجود العديد من أجهزة الكشف الكبيرة سيعزز معدل جمع البيانات ويضمن أن أي نتائج نحصل عليها ليست مجرد صدفة ناتجة عن جهاز معين ترتيب.

قراءة المزيد

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق