عملية “تذبذب النيوترينو”

2006 موسوعة علم الفلك والفضاء2

شوقي محمد صالح الدلال

KFAS

علم الفلك

توجد ثلاثة أنواع أو مذاقات من جسيمات النيوترينو يرتبط كل منها بواحد من اللبتونات الثلاثة المعروفة ، وهي الإلكترون والموون والتاو ، ويراد بتذبذب النيوترينو تحول أي من أنواعها إلى نوع آخر .

تصدر الشمس فيضاً من جسيمات النيوترينو الناتجة عن سلسلة تفاعلات البروتون – بروتون (proton – proton chain reaction)* في باطنها . لكن ما رصد منها على الأرض لا يتعدى 30 ± 14% مما هو متوقع وفقاً للنموذج الشمسي المعياري.

وقد شغل موضوع كتلة النيوترينو العلماء حقبة طويلة من الزمن . وتتطلب نظرية ميكانيكا الكم في حالة وجود كتلة لجسيمات النيوترينو أن تكون هذه الكتلة مزيجاً من ثلاثة حالات للكتلة .

 

وهذا يعني – إذا بدأت حزمة من جسيمات النيوترينو الإلكترونية رحلتها فلا تلبث أن تصبح مزيجاً من ثلاث فئات من جسيمات النيوترينو ويتغير نوع النيوترينو ، أو يتذبذب من نوع إلى آخر ، مع المسافة من المصدر .

وقد بقيت مسألة كتلة النيوترينو معضلة حيرت العلماء خلال العقدين الماضيين، فتذبذب جسيمات النيوترينو ، أي تحولها من نوع إلى آخر ، يعني أن لها كتلة محددة .

وتصدر جسيمات النيوترينو كما رأينا من التفاعلات النووية في باطن الشمس ، ولكنها تصدر أيضاً من تفاعل الأشعة الكونية مع الغلاف الجوي للأرض.

 

وقد استخدم فريق المكشاف سوبر كاميوكاند (انظر Super-kamiokande) في اليابان هذه الحقيقة لدراسة احتمال تذبذب جسيمات النيوترينو الصادرة عن الأشعة الكونية ، وبالتالي حل مسألة كتلة النيوترينو .

يتكون مكشاف سوبر كاميوكاند من 13000 مضاعف فوتوني يبلغ قطر كل منها 40 سنتيمتراً وتغطي السطح الداخلي لأسطوانة كبيرة يبلغ قطرها 40 متراً وارتفاعها 40 متراً ومملوءة بماءٍ عالي النقاوة.

وباستطاعة مضاعف الفوتونات كشف أي فوتون ناتج عن تفاعل أحد جسيمات النيوترينو مع الذرات المكونة للماء .

 

فقد يتفاعل واحد من كل 10¹² نيوترينو من الفئة  يمر بالمكشاف مع كوارك واحد في ذرة الأوكسجين أو الهيدروجين في جزيء الماء .

وينتج عن هذا التفاعل إلكترون (e) أو موون ينطلق في الماء بسرعة فوق ضوئية مولداً مخروطاً من الضوء الأزرق ، وهو ما يعرف بتأثير سيرنكوف.

وتكشف مضاعفات الفوتونات الضوء المتولد عن كل حادثة ، ويمكن حساب طاقة النيوترينو ومذاقه والاتجاه الذي قدم منه ، وفي التجربة التي قام بها فريق من العلماء اليابانيين والأمريكيين تم كشف جسيمات النيوترينو المتولدة من اصطدام الأشعة الكونية بمكونات الغلاف الجوي للأرض في منطقتين متقابلتين بالنسبة إلى خط يمر من مركزها.

 

وتتولد هذه الجسيمات على ارتفاع 10 كيلومترات ، ومن المعروف أن هذه التفاعلات تؤدي إلى إصدار جسيمات نيوترينو موونية وإلكترونية ولكن يفوق فيض الأولى منها فيض الأخرى بمقدار الضعف .

ويلتقط مكشاف سوبر كاميوكاند جسيمات النيوترينو المتولدة في المنطقة من الغلاف الجوي الواقعة مباشرة فوق المكشاف وكذلك ما يصله من فيض هذه الجسيمات من المنطقة المقابلة من الغلاف الجوي الأرضي بعد اختراقها الأرض.

كما هو مبين في الشكل ، ولم يكشف سوبر كاميوكاند سوى لكل  كما أن عدد جسيمات النيوترينو الموونية التي تصل عبر قعر المكشاف (من الجهة المقابلة من الأرض) تقل كثيراً عما يصل إلى المكشاف عبر سطحه العلوي.

 

وتفسر هذه النتيجة على أن جسيمات التي تعبر الأرض قاطعة 12800 كيلومتر تتحول جزئياً إلى جسيمات بينما لم يكن لدى الجسيمات المتولدة على ارتفاع 10 كيلومترات متسعاً من الوقت للتحول إلى نوع آخر ، وهذا يدل على أن لجسيمات النيوترينو كتلة محددة.

لكن هذه التجربة لا تسمح بقياسها ، وبدلاً من ذلك يدل تحليل النتائج على أن الفرق بين كتلتي يساوي تقريباً، ولا تؤثر كتلة جسيمات النيوترينو بشكل حاسم على كثافة المادة في الكون ، وبالتالية على بنيته ومصيره .

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]