لماذا الفيزيائيون يصطادون أغرب جزيئات الشبح؟


كل ثانية واحدة من كل يوم ، يتم قصفك بواسطة تريليونات على تريليونات من الجسيمات دون الذرية ، تنطلق من أعماق الفضاء. يفجرونك بقوة الإعصار الكوني ، الذي ينفجر بسرعة تقارب سرعة الضوء. انهم قادمون من جميع أنحاء السماء ، في جميع الأوقات ليلا ونهارا. إنهم يخترقون المجال المغناطيسي للأرض وجو الحماية لدينا مثل الكثير من الزبدة.

ومع ذلك ، فإن الشعر الموجود في أعلى رأسك لا يتم تكويره حتى.

ماذا يحدث هنا؟

تسمى هذه الرصاصات الصغيرة الصغيرة neutrinos ، وهو مصطلح ابتدع في عام 1934 بواسطة الفيزيائي اللامع Enrico Fermi. الكلمة إيطالية غامضة لـ "محايدة قليلاً" ، وافترض وجودها لتفسير رد فعل نووي غريب. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

في بعض الأحيان ، تشعر العناصر ببعض … غير مستقرة. وإذا تركوا لوحدهم لفترة طويلة ، فإنهم ينهارون ويحولون أنفسهم إلى شيء آخر ، وهو شيء أخف قليلاً على الطاولة الدورية. بالإضافة إلى ذلك ، قد يخرج القليل من الإلكترون. ولكن في العشرينات من القرن العشرين ، وجدت ملاحظات دقيقة ومفصلة عن تلك الانحلالات تناقضات صغيرة للغاية. كانت الطاقة الكلية في بداية العملية أكبر قليلاً من الطاقة الخارجة. لم تضيف الرياضيات. الفردية.

لذا ، قام عدد قليل من علماء الفيزياء باختراق جسيم جديد تمامًا من القماش كله. شيء لحمل الطاقة المفقودة. شيء صغير ، شيء خفيف ، شيء بدون شحن. شيء يمكن أن ينزلق من خلال أجهزة الكشف الخاصة بهم دون أن يلاحظها أحد.

قليلا محايدة. نيوترينو.

استغرق الأمر عقدين آخرين لتأكيد وجودهم – هكذا كانت الزللة والعبقة والمراوغة. لكن في عام 1956 ، انضمت النيوترينوات إلى عائلة متزايدة من الجسيمات المعروفة والمُقاسة والمؤكدة.

ثم أصبحت الأمور غريبة.

بدأت المتاعب تتأجج مع اكتشاف الميون ، التي حدثت بمحض الصدفة في نفس الوقت الذي بدأت فيه فكرة النيوترينو في التكاثر: ثلاثينيات القرن العشرين. الميون يشبه الإلكترون تمامًا. نفس الرسوم. نفس الدوران. لكن الأمر مختلف في طريقة حاسمة: إنه أثقل ، أكثر من 200 مرة أكبر من أخته ، الإلكترون.

يشارك المونسون في أنواع ردود أفعالهم الخاصة ، لكنهم لا يميلون إلى البقاء طويلاً. بسبب حجمها المثير للإعجاب ، فهي غير مستقرة للغاية وتتحلل بسرعة إلى وحدات دش من وحدات البت الصغيرة ("بسرعة" هنا يعني في غضون microsecond أو اثنين).

هذا كل شيء جيد وجيد ، فلماذا يتشكل الميون في قصة النيوترينو؟

لاحظ الفيزيائيون أن تفاعلات الانحلال التي أشارت إلى وجود النيوترينو كانت دائما تبرز إلكترونًا ، ولم تكن أبدًا ميوونًا. في ردود فعل أخرى ، سوف تخرج الميونات ، وليس الإلكترونات. ولتفسير هذه النتائج ، فهم يفسرون أن النيوترينو يتطابق دائمًا مع الإلكترونات في تفاعلات التسوس هذه (وليس مع أي نوع آخر من النيوترينو) ، في حين أن الإلكترون ، يجب أن يقترن الميون بنوع من النيوترينو غير المكتشف بعد .. لن يكون نيوترينو الصديق للإلكترون قادراً على شرح الملاحظات من أحداث الميون. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

وهكذا ذهب مطاردة. و على. و على. لم يحصل الفيزيائيون حتى عام 1962 على قفل النوع الثاني من النيوترينو. كان يطلق عليها في الأصل "neutretto" ، ولكن سادت أكثر الرؤوس عقلانية مع مخطط يطلق عليه muon-neutrino ، لأنه دائما يقترن نفسه في ردود الفعل مع muon.

حسنا ، حتى اثنين النيوترينوات المؤكدة. هل كانت الطبيعة أكثر تخبئًا لنا؟ في عام 1975 ، قام باحثون في مركز ستانلي لاينر أكسيليريتور ببراعة بتحويل الجبال من البيانات الرتيبة للكشف عن وجود شقيق أثقل حتى للإلكترون الفطن والميون الضخم: التاو الضخم ، تسجيل وقت ضخم عند 3،500 مرة من كتلة الإلكترون . هذا جسيم كبير!

وعلى الفور أصبح السؤال: إذا كانت هناك عائلة مكونة من ثلاثة جسيمات ، فإن الإلكترون والميون والتاو … يمكن أن يكون هناك نيوترينو ثالث ، للإقران بهذا المخلوق الجديد؟

ممكن و ممكن لا. ربما لا يوجد سوى اثنين من النيوترينوات. ربما هناك أربعة. ربما 17. لم تحقق الطبيعة توقعاتنا من قبل ، لذلك لا يوجد سبب للبدء الآن.

تجاوز الكثير من التفاصيل الشنيعة ، على مر العقود ، أقنع الفيزيائيون أنفسهم باستخدام مجموعة متنوعة من التجارب والملاحظات التي يجب أن يوجد بها نيوترينو ثالث. ولكن لم يكن حتى نهاية الألفية ، في عام 2000 ، أن تجربة مصممة خصيصا في Fermilab (تسمى بذكاء تجربة DONUT ، لمراقبة مباشرة من NU تاو ، ولا ، أنا لا يجعل هذا الأمر) حصلت أخيرا ما يكفي من المشاهدات المؤكدة للادعاء بالكشف عن حق.

لذا ، لماذا نهتم كثيرًا بالنيوترينو؟ لماذا كنا نلاحقهم لأكثر من 70 سنة ، من قبل الحرب العالمية الثانية إلى العصر الحديث؟ لماذا كانت أجيال من العلماء مفتونة للغاية بهذه الأحايين الصغيرة والمحايدة؟

والسبب هو أن النيوترونات لا تزال تعيش خارج توقعاتنا. لفترة طويلة ، لم نكن متأكدين حتى من وجودها. لفترة طويلة ، كنا مقتنعين بأنهم كانوا بلا كتلة تماما ، حتى اكتشفت التجارب بشكل مزعج أنه يجب أن يكون لديهم كتلة. بالضبط "كم" تبقى مشكلة حديثة. والنيوترينوات لديها هذه العادة المزعجة لتغيير الشخصية أثناء سفرها. هذا صحيح ، كما يسافر نيوترينو في الرحلة ، فإنه يمكن تبديل الأقنعة بين النكهات الثلاثة.

قد لا يزال هناك حتى نيوترينو إضافي لا يشارك في أي تفاعلات معتادة – وهو ما يعرف باسم النيوترينو العقيم ، الذي يبحث عنه الفيزيائيون بجوع.

بعبارة أخرى ، تتحدى النيوترينو باستمرار كل ما نعرفه عن الفيزياء. وإذا كان هناك شيء واحد نحتاجه ، سواء في الماضي أو في المستقبل ، فهو تحدٍ جيد.

بول إم. سوتر هو عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية أوهايومضيف اسأل رائد فضاء و راديو الفضاء، ومؤلف مكانك في الكون.

نشرت أصلا في العلوم الحية.