التجارب التي أجريت للكشف عن جسميات “النيوترينو”

2006 موسوعة علم الفلك والفضاء2

شوقي محمد صالح الدلال

KFAS

علم الفلك

دراسة جسيمات النيوترينو الناتجة عن التفاعلات النووية المختلفة ، وتشمل التفاعلات النووية في باطن النجوم ، والتفاعلات الناتجة عن انفجار المستعرات العظمى ، واصطدام الأشعة الكونية بذرات المادة.

وقد صممت العديد من التجارب لكشف جسيمات النيوترينو الناتجة عن التفاعلات النووية التي تحدث في قلب النجوم ، والمستعرات العظمى في مجرتنا حادثة نادرة ولا تتكرر إلا مرة واحدة كل 30 أو 50 عاماً .

ولكن تقع أكثر مصادر جسيمات النيوترينو خارج مجرتنا ، فانفجارات أشعة جاما على سبيل المثال تكون مصحوبة بفيض من جسيمات النيوترينو .

 

ومن المصادر الأخرى قلوب المجرات النشطة، حيث يبتلع ثقب أسود هائل الكتلة كميات كبيرة من المادة ويطلق نافورة من الجسيمات في الفضاء البيمجري ، ونظراً للمسافة البعيدة التي تفصلنا عن هذه المصادر فإن ما يصلنا منها من فيض ضعيف جداً.

وللتعويض عن ذلك تكون مقاريب كشف جسيمات النيوترينو القادمة من خارج المجرة هائلة الحجم، كما هو الحال بالنسبة إلى المكشاف أماندا *(AMANDA)، ولا تتفاعل جسيمات النيوترينو مع الجسيمات الأخرى؛ ولذا باستطاعة الغالبية العظمى منها الهروب من قلب النجم ثم الانطلاق بحرية تامة لتبدأ رحلة بعيدة في الفضاء السحيق وعبر ما يصادفها من مادة دون عائق.

ويعد كشف جسيمات النيوترينو دليلاً قاطعاً على طبيعة ما يجري في قلب النجوم والأجرام النشطة ، ولكن تفاعلها الضعيف مع المادة يجعل كشفها أمراً بالغ الصعوبة .

 

ويعد اكتشاف الدفقة الكبيرة من جسيمات النيوترينو الصادرة عن انفجار المستعر الأعظم A 1987 تأكيداً للفكرة الأساس عن تقوض النجم مباشرة قبل الاستعمار .

وكان ريموند ديفس (Raymond Davis) أول من صمم تجربة لكشف جسيمات النيوترينو القادمة من الشمس ، فقد وضعت أجهزة كشف النيوترينو على عمق 1500 متر تحت الأرض في منجم الذهب هومستيك (Homestake Gold Mine) بالقرب من ليد (Lead) في جنوب داكوتا (Dakota).

وعُرِضَت كمية كبيرة من مادة فوق كلور الأثيلين  (perchlorethylene)، لعدة شهور إلى ما يفترض أنه فيض من جسيمات النيوترينو الشمسية .

 

ويمكن لعدد قليل من الجسيمات عالية الطاقة (قابلة للحساب) من التفاعل مع ذرات الكلور :

وتعطي كمية الأرغون الناتجة من التفاعل قياساً لفيض النيوترينو ، ويقاس الفيض بوحدات جسيمات النيوترينو الشمسية  (solar neutrino units, SNU)، حيث SNU هو الفيض اللازم لتفاعل نيوترينو واحد مع ذرة من الكلور.

 

وتحسب هذه الكمية من الظروف المتوقعة في قلب الشمس، وقد قدرت الكمية المتوسطة للفيض الذي تم كشفه بـ (1.8 ± 0.2) وحدة نيوترينو شمسية (SNU)، وهذه الكمية أقل كثيراً من القيمة المتوقعة التي تبلغ (7.5 ± 0.5) وحدة.

ويتنبأ أكثر النماذج قبولاً لدى العلماء بفيض لجسيمات النيوترينو يساوي 135 وحدة نيوترينو شمسية تقريباً .

ويعرف الفرق بين عدد جسيمات النيوترينو المتوقع وصولها إلى الأرض وتلك التي تتولد في الشمس بمسألة جسيمات النيوترينو الشمسية  (solar neutrino problem.

 

وتنتج جسيمات النيوترينو التي يلتقطها مكشاف هومستيك عن واحد من أكثر تفاعلات سلسلة البروتون – بروتون ندرة.

وتصدر جسيمات النيوترينو من هذا التفاعل حيث يتحول الهيدروجين إلى هليوم، وتنبعث جسيمات النيوترينو بطاقة عالية خلال انحلال البورون 8 – الذي ينتج بدوره من تفاعل الهليوم – 3، والهليوم – 4.

وقد تم حساب معدل إنتاج جسيمات النيوترينو من الظروف المتوقعة في قلب الشمس التي تعتمد اعتماداً كبيراً على درجة الحرارة .

 

وقد بدأ العلماء اليابانيون بتصميم تجارب أخرى لكشف جسيمات النيوترينو عالية الطاقة في منجم كاميوكا في اليابان منذ عام 1987.

ويقيس مكشاف كاميوكاند (Kamiokande) تشتت جسيمات النيوترينو بواسطة الإلكترونات في ماء عالي النقاوة ، وقد تم كشف 46 ± 18% من الفيض المتوقع باستخدام هذا الجهاز.

ويكون لجسيمات النيوترينو الناتجة في المرحلة الأولية من سلسلة تفاعلات البروتون – بروتون طاقة صغيرة لا يمكن كشفها بواسطة مكشاف هومستيك وكاميوكاند ، ولكن توجد طرق أخرى أكثر دقة للتنبؤ بمعدل إنتاج هذه الجسيمات.

 

وقد بدأ فريقان دوليان منذ بداية التسعينيات (1990s) باستعمال مكاشيف مصنوعة من الغاليوم تتميز بحساسيتها للجسيمات منخفضة الطاقة ، ويؤدي تفاعل جسيمات النيوترينو مع الغاليوم 71- إلى إنتاج الغاليوم 71- بالإضافة إلى إلكترون .

وقد صمم السوفيت (سابقاً) والأميركان تجربة تسمى ساج  (SAGE)، وهي مختصر  Soviet-American Gallium Experiment) ، لكشف جسيمات النيوترينو الشمسية في موقع تحت الأرض في القوقاز ، بروسيا .

كما صممت تجربة أخرى لكشف جسيمات النيوترينو تسمى كالكس (Callex) ، وهي تجربة أوروبية – إسرائيلية – أمريكية.

 

واختير لها موقع تحت الأرض في مختبر غران ساسو (Gran Sasso laboratory) بالقرب من روما ، ويبلغ معدل الفيض الذي سجله كالكس في مجموعتين من الأرصاد 87 ± 16 وحدة نيوترينو شمسية.

وقد وجد في أول تجربة سجلها ساج أن فيض النيوترينو يساوي 20 وحدة فقط ، وفي تجربة لاحقة بلغ معدل ما قيس منها 58 ± 14 وحدة.

وبالتالي فإن تجربتي كالكس وساج تعطيان النتيجة نفسها تقريباً ، ضمن حدود الخطأ ، وهي 60% من الفيض المتوقع.

 

وقد بينت التجارب التي أجريت على فيض جسيمات النيوترينو الشمسية أنها تتحول من فئة إلى فئة أخرى من الجسيمات نفسها.

ولكن هذه الأخيرة لا يمكن كشفها بالأجهزة المستخدمة حالياً في هذا النوع من التجارب ، فيتحول الجسيم ، على سبيل المثال إلى ، الذي لا يمكن كشفه .

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]