في محطة أموندسن سكوت القطب الجنوبي في أنتاركتيكا ، يقع مرصد IceCube Neutrino - وهو مرفق مخصص لدراسة الجسيمات الأولية المعروفة باسم النيوترينو. يتكون هذا الصفيف من 5،160 مستشعر بصري كروي - وحدات بصرية رقمية (DOMs) - مدفونة داخل كيلومتر مكعب من الجليد الصافي. في الوقت الحاضر ، يعد هذا المرصد أكبر كاشف للنيوترينو في العالم وقد قضى السنوات السبع الماضية في دراسة كيفية تصرف هذه الجسيمات وتفاعلها.
قامت أحدث دراسة نشرها تعاون IceCube ، بمساعدة علماء الفيزياء من جامعة ولاية بنسلفانيا ، بقياس قدرة الأرض على منع النيوترينو لأول مرة. بالتوافق مع النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، قرروا أنه بينما تمر تريليونات النيوترينوات عبر الأرض (ونحن) بشكل منتظم ، يتم إيقاف بعضها من حين لآخر.
ظهرت الدراسة التي حملت عنوان "قياس المقطع العرضي لتفاعل النيوترينو المتعدد تيف مع IceCube باستخدام امتصاص الأرض" ، في المجلة العلمية. طبيعة. استندت نتائج فريق الدراسة على ملاحظة 10784 تفاعلًا تم إجراؤها بواسطة نيوتريونات عالية الطاقة ومتحركة إلى أعلى تم تسجيلها على مدار عام في المرصد.
مرة أخرى في عام 2013 ، تم إجراء الاكتشافات الأولى للنيوتريونات عالية الطاقة من خلال تعاون IceCube. كانت هذه النيوترينوات - التي يُعتقد أنها فيزيائية فلكية في الأصل - في نطاق فولت بيتا-إلكترون ، مما يجعلها أعلى طاقة نيوتريونات تم اكتشافها حتى الآن. يبحث IceCube عن علامات هذه التفاعلات من خلال البحث عن إشعاع Cherenkov ، الذي يتم إنتاجه بعد إبطاء الجسيمات المشحونة سريعة الحركة عن طريق التفاعل مع المواد الطبيعية.
من خلال الكشف عن النيوترينوات التي تتفاعل مع الجليد الصافي ، تمكنت أدوات IceCube من تقدير طاقة واتجاه سفر النيوترينوات. على الرغم من هذه الاكتشافات ، بقي اللغز حول ما إذا كان أي نوع من المواد يمكن أن يوقف النيوترينو أثناء رحلته عبر الفضاء. وفقًا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، هذا شيء يجب أن يحدث في بعض الأحيان.
بعد مراقبة التفاعلات في IceCube لمدة عام ، وجد الفريق العلمي أن النيوترينوات التي كان عليها السفر إلى أبعد مكان عبر الأرض كانت أقل عرضة للوصول إلى الكاشف. كما أوضح دوج كوين ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك / الفيزياء الفلكية في ولاية بنسلفانيا ، في بيان صحفي ولاية بنسلفانيا:
"هذا الإنجاز مهم لأنه يظهر لأول مرة أن النيوترينوات عالية الطاقة يمكن امتصاصها بواسطة شيء ما - في هذه الحالة ، الأرض. كنا نعلم أن النيوترينوات ذات الطاقة المنخفضة تمر من خلال أي شيء تقريبًا ، ولكن على الرغم من أننا توقعنا أن تكون النيوترينوات ذات الطاقة الأعلى مختلفة ، لم تكن أي تجارب سابقة قادرة على إثبات مقنع أن النيوترينوات ذات الطاقة الأعلى يمكن إيقافها بأي شيء. "
تم اقتراح وجود النيوترينوات لأول مرة في عام 1930 من قبل الفيزيائي النظري فولفجانج بولي ، الذي افترض وجودها كوسيلة لشرح تحلل بيتا من حيث الحفاظ على قانون الطاقة. يتم تسميتها لأنها محايدة كهربائيًا ، ولا تتفاعل مع المادة إلا بشكل ضعيف جدًا - أي من خلال القوة دون الذرية الضعيفة والجاذبية. وبسبب هذا ، تمر النيوترينوات من خلال المادة العادية بشكل منتظم.
في حين أن النجوم والمفاعلات النووية تنتج بانتظام النيوتريونات هنا على الأرض ، فقد تم تشكيل النيوترينوات الأولى خلال الانفجار الكبير. يمكن أن تخبرنا دراسة تفاعلهم مع المادة الطبيعية الكثير عن كيفية تطور الكون على مدى مليارات السنين. يتوقع العديد من العلماء أن تشير دراسة النيوترينو إلى وجود فيزياء جديدة ، تتجاوز تلك التي تتجاوز النموذج القياسي.
ولهذا السبب ، فوجئ الفريق العلمي إلى حد ما (وربما بخيبة أمل) بنتائجهم. كما أوضح فرانسيس هالزين - الباحث الرئيسي لمرصد IceCube Neutrino وأستاذ الفيزياء في جامعة ويسكونسن ماديسون -:
"إن فهم كيفية تفاعل النيوترينوات هو مفتاح تشغيل IceCube. كنا بالطبع نأمل في ظهور بعض الفيزياء الجديدة ، ولكن للأسف نجد أن النموذج القياسي ، كالعادة ، يقاوم الاختبار.
بالنسبة للجزء الأكبر ، كانت النيوترينوات المختارة لهذه الدراسة أكثر نشاطًا بمليون مرة من تلك التي تنتجها الشمس أو محطات الطاقة النووية. تضمن التحليل أيضًا بعض العناصر التي كانت ذات طبيعة فيزيائية فلكية - أي تم إنتاجها خارج الغلاف الجوي للأرض - وربما تم تسريعها نحو الأرض من خلال الثقوب السوداء الهائلة (SMBHs).
دارين غرانت ، أستاذ الفيزياء في جامعة ألبرتا ، هو المتحدث الرسمي باسم IceCube Collaboration. كما أشار ، تفتح دراسة التفاعل الأخيرة هذه أبوابًا لأبحاث النيوترينو المستقبلية. وقال: "تتمتع النيوترينو بسمعة جيدة للغاية في مفاجأتنا بسلوكها". "من المثير للغاية رؤية هذا القياس الأول والإمكانيات التي يحملها لاختبارات الدقة المستقبلية."
لم تقدم هذه الدراسة أول قياس لامتصاص الأرض للنيوترينات فحسب ، بل توفر أيضًا فرصًا للباحثين الجيوفيزيائيين الذين يأملون في استخدام النيوترينوات لاستكشاف باطن الأرض. بالنظر إلى أن الأرض قادرة على إيقاف بعض المليارات من الجسيمات عالية الطاقة التي تمر عبرها بشكل روتيني ، يمكن للعلماء تطوير طريقة لدراسة جوهر الأرض الداخلي والخارجي ، ووضع قيود أكثر دقة على أحجامها وكثافتها.
كما يظهر أن مرصد IceCube قادر على الوصول إلى ما وراء غرضه الأصلي ، وهو بحث فيزياء الجسيمات ودراسة النيوترينو. كما تظهر هذه الدراسة الأخيرة بوضوح ، فهي قادرة على المساهمة في أبحاث علوم الكواكب والفيزياء النووية أيضًا. يأمل الفيزيائيون أيضًا في استخدام مجموعة IceCube المكونة من 86 سلسلة لإجراء تحليل متعدد السنوات ، ودراسة نطاقات أعلى من طاقات النيوترينو.
كما أشار جيمس ويتمور - مدير البرنامج في قسم الفيزياء التابع لمؤسسة العلوم الوطنية (NSF) (التي توفر الدعم لـ IceCube) - فقد يسمح لهم ذلك بالبحث حقًا عن الفيزياء التي تتجاوز النموذج القياسي.
"تم إنشاء IceCube لاستكشاف حدود الفيزياء ، وبذلك ، من المحتمل أن يتحدى التصورات الحالية لطبيعة الكون. إن هذا الاكتشاف الجديد والآخر الذي لم يأت بعد يأتي بروح الاكتشاف العلمي هذه. "
منذ اكتشاف بوزون هيجز في عام 2012 ، كان الفيزيائيون آمنين مع العلم أن الرحلة الطويلة لتأكيد النموذج القياسي قد اكتملت الآن. منذ ذلك الحين ، وضعوا مجموعاتهم أبعد ، على أمل العثور على فيزياء جديدة يمكن أن تحل بعض الألغاز العميقة للكون - أي التناظر الفائق ، نظرية كل شيء (ToE) ، إلخ.
هذا ، بالإضافة إلى دراسة كيفية عمل الفيزياء على أعلى مستويات الطاقة (على غرار تلك التي كانت موجودة خلال الانفجار الكبير) هو الانشغال الحالي للفيزيائيين. إذا كانت ناجحة ، فقد نفهم للتو كيف يعمل هذا الشيء الضخم المعروف باسم الكون.
