كشفت آلة عد إلكتروني كبيرة ، بشكل غير مباشر ، عن قياس أكثر الجسيمات المعروفة انحدارًا في الفيزياء - وأضيفت إلى أدلة المادة المظلمة.
هذا القياس هو النتيجة الأولى من جهد دولي لقياس كتلة النيوترينوات - الجسيمات التي تملأ كوننا وتحدد بنيته ، ولكننا بالكاد نستطيع اكتشافه على الإطلاق. لا تحتوي النيوترينوات ، وفقًا لتجربة كارلسروه تريتيوم نيوترينو (KATRIN) الألمانية ، على أكثر من 0.0002٪ من كتلة الإلكترون. هذا الرقم منخفض للغاية لدرجة أنه حتى لو قمنا بجمع جميع النيوترينوات في الكون ، فلن يتمكنوا من تفسير كتلته المفقودة. وتضيف هذه الحقيقة إلى كومة الأدلة على وجود المادة المظلمة.
KATRIN هي في الأساس آلة كبيرة جدًا لحساب الإلكترونات فائقة الطاقة التي تنفجر من عينة من التريتيوم - وهو شكل إشعاعي من الهيدروجين. مع بروتون ونيوترونين في كل ذرة. التريتيوم غير مستقر ، وتتحلل نيوتروناته إلى أزواج إلكترون نيوترينو. يبحث KATRIN عن الإلكترونات وليس النيوترينوات لأن النيوترينوات ضعيفة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بدقة. وتستخدم الآلة غاز التريتيوم ، وفقًا لهاميش روبرتسون ، عالم KATRIN والأستاذ الفخري بجامعة واشنطن ، لأنه المصدر الوحيد للإلكترونات والنيوترينو البسيط بما يكفي للحصول على قياس كتلة جيد منه.
من المستحيل تقريبًا قياس النيوترينوات بمفردها لأن كتلتها قليلة جدًا وتميل إلى الخروج من الكواشف دون التفاعل معها. ولمعرفة كتلة النيوترينوات ، أخبر روبرتسون Live Science أن KATRIN تحسب أكثر الإلكترونات نشاطًا وتعمل للخلف من هذا الرقم لاستنتاج كتلة النيوترينو. تم الإعلان عن النتائج الأولى من KATRIN ، وتوصل الباحثون إلى استنتاج مبكر: لا تحتوي كتلة النيوترينو على 1.1 فولت إلكترون (eV).
الفولت الإلكتروني هو وحدات الكتلة التي يستخدمها فيزيائيو الطاقة عند الحديث عن أصغر الأشياء في الكون. (على مستوى الجسيمات الأساسية ، يتم قياس الطاقة والكتلة باستخدام نفس الوحدات ، ويجب أن يكون لأزواج النيوترينو والإلكترون مستويات طاقة متساوية تعادل نيوتروناتها المصدر.) كتلة 125 مليار EV. يبلغ حجم كتلة الجسيمات في مركز الذرات حوالي 938 مليون فولت. الإلكترونات هي مجرد 510،000 فولت. تؤكد هذه التجربة أن النيوترينوات صغيرة للغاية.
قال روبرتسون إن KATRIN هي آلة كبيرة جدًا ، لكن أساليبها واضحة. الغرفة الأولى للجهاز مليئة بالتريتيوم الغازي ، الذي تتحلل نيوتروناته بشكل طبيعي إلى إلكترونات ونيوترينوات. يعرف الفيزيائيون بالفعل مقدار الطاقة المتضمنة عندما يتحلل النيوترون. يتم تحويل بعض الطاقة إلى كتلة النيوترينو وكتلة الإلكترون. ويتم سكب الباقي على تلك الجسيمات التي تم إنشاؤها حديثًا ، مما يملي تقريبًا مدى سرعتها. عادة ، يتم توزيع تلك الطاقة الزائدة بالتساوي بين الإلكترون والنيوترينو. لكن في بعض الأحيان يتم التخلص من معظم أو كل الطاقة المتبقية في جسيم أو آخر.
وقال روبرتسون إنه في هذه الحالة ، يتم إلقاء كل الطاقة المتبقية بعد تكوين النيوترينو والإلكترون في الشريك الإلكتروني ، مما يشكل إلكترونًا عالي الطاقة. وهذا يعني أنه يمكن حساب كتلة النيوترينو: إنها الطاقة المتضمنة في اضمحلال النيوترون ناقصًا كتلة الإلكترون ومستوى الطاقة الأقصى للإلكترونات في التجربة.
لم يحاول الفيزيائيون الذين صمموا التجربة قياس النيوترينوات. يسمح لهم بالهروب من الجهاز دون مساس. وبدلاً من ذلك ، تقوم التجربة بدفع الإلكترونات إلى غرفة فراغ عملاقة تسمى مقياس الطيف. ثم يولد التيار الكهربائي مجالًا مغناطيسيًا قويًا جدًا لا يمكن إلا للإلكترونات ذات الطاقة الأعلى أن تمر منه. في الطرف الآخر من تلك الغرفة يوجد جهاز يحسب عدد الإلكترونات التي تصل إلى المجال. قال روبرتسون إنه بينما تزيد كاترين ببطء من قوة المجال المغناطيسي ، يتقلص عدد الإلكترونات التي تمر عبر - كما لو أنها ستتلاشى إلى الصفر. ولكن في نهاية هذا الطيف من مستويات طاقة الإلكترون ، يحدث شيء ما.
وقال روبرتسون "الطيف يموت فجأة قبل أن تصل إلى نقطة النهاية لأن كتلة النيوترينو لا يمكن أن يسرقها الإلكترون. يجب دائما تركها للنيوترينو." يجب أن تكون كتلة النيوترينو أقل من تلك الكمية الضئيلة من الطاقة المفقودة من نهاية الطيف. وبعد عدة أسابيع من وقت التشغيل ، قام المجربون بتضييق هذا الرقم إلى حوالي نصف العدد الذي كان علماء الفيزياء يعرفونه من قبل.
فكرة أن للنيوترينات كتلة على الإطلاق هي فكرة ثورية ؛ وأشار روبرتسون إلى أن النموذج القياسي ، نظرية الفيزياء الأساسية التي تصف العالم دون الذري ، أصرت ذات مرة على أن النيوترينوات ليس لها كتلة على الإطلاق. منذ الثمانينيات ، كان الباحثون الروس والأمريكيون يحاولون قياس كتل النيوترينو ، لكن نتائجهم كانت إشكالية وغير دقيقة. في مرحلة ما ، ربط الباحثون الروس كتلة النيوترينو بدقة 30 eV - وهو رقم جميل كان سيكشف عن النيوترينوات كحلقة مفقودة من شأنها أن تفسر بنية الجاذبية الكبرى للكون ، وتملأ كل الكتلة المفقودة - ولكن واحدة التي تبين أنها خاطئة.
بدأ روبرتسون وزملاؤه العمل في البداية مع التريتيوم الغازي في ذلك الوقت ، بعد أن أدركوا أن المادة المشعة الضعيفة تقدم المصدر الأكثر دقة لتحلل النيوترونات المتاح للعلم.
قال روبرتسون "لقد كان بحثا طويلا". "كان القياس الروسي لـ 30 eV مثيرًا جدًا لأنه كان سيغلق الكون بشكل جاذبي. ولا يزال مثيرًا لهذا السبب. تلعب النيوترينوات دورًا كبيرًا في علم الكونيات ، وربما تكون قد شكلت البنية الكبيرة للكون."
كل تلك الجسيمات الباهتة التي تطير حول الجاذبية على كل شيء آخر بجاذبيتها ، وتأخذ وتضفي طاقة من جميع المواد الأخرى. قال روبرتسون أنه على الرغم من انخفاض عدد الكتلة ، فإن الدور الدقيق الذي تلعبه هذه الجسيمات الصغيرة يصبح أكثر تعقيدًا.
قال الباحث إن الرقم 1.1 eV مثير للاهتمام لأنه أول رقم كتلة نيوترينو مشتق تجريبيًا وليس عاليًا بما يكفي لشرح بنية بقية الكون من تلقاء نفسه.
وقال "هناك مادة ليس لدينا أي شيء نعرفه بعد. هناك هذه المادة المظلمة" ولا يمكن أن تكون مصنوعة من النيوتريونات التي نعرف عنها.
لذا فإن هذا العدد الصغير من غرفة فراغ كبيرة في ألمانيا على الأقل يضيف إلى كومة الأدلة على أن الكون يحتوي على عناصر لا تزال الفيزياء لا تفهمها.
