بعد عقود من الغموض، كشف العلماء زيف نظرية رئيسية حول جسيم غريب

لقد أدى البحث الذي دام عقدًا من الزمن في سلوك النيوترينو المحير إلى استبعاد أحد التفسيرات الأكثر مناقشة على نطاق واسع: النيوترينو العقيم.

وبعد عقد من جمع البيانات ودراستها، تمكن العلماء، ومن بينهم باحثون من روتجرزلقد قلبت نظرية طويلة الأمد حول نوع غامض من الجسيمات.

النتائج، ذكرت في طبيعة، تم إنتاجها بواسطة تجربة MicroBooNE في مختبر فيرمي الوطني للتسريع التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (فيرميلاب) في باتافيا، إلينوي. (يشير الاختصار MicroBooNE إلى “تجربة Micro Booster Neutrino”.)

ومن خلال دراسة شعاعين من النيوترينو باستخدام كاشف الأرجون السائل عالي الحساسية، تمكن الفريق من استبعاد وجود نيوترينو واحد معقم بنسبة ثقة تبلغ 95%.

وصف أندرو ماستباوم، الأستاذ المشارك في قسم الفيزياء وعلم الفلك في كلية روتجرز للفنون والعلوم وعضو فريق قيادة MicroBooNE، النتيجة بأنها لحظة مهمة في هذا المجال.

وقال: “ستثير هذه النتيجة أفكارًا مبتكرة عبر أبحاث النيوترينو لفهم ما يحدث بالفعل”. “يمكننا استبعاد المشتبه به الكبير، لكن هذا لا يحل اللغز تمامًا.”

النيوترينوات عبارة عن جسيمات دون ذرية صغيرة للغاية تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة بحيث يمكنها التحرك مباشرة عبر الكواكب بأكملها. وفقًا للنموذج القياسي، الذي يعد بمثابة الإطار المركزي لفيزياء الجسيمات، هناك ثلاثة أنواع معروفة من النيوترينوات: الإلكترون، والميون، والتاو. ويمكن لكل نوع أن يتحول إلى نوع آخر من خلال ظاهرة تعرف بالتذبذب.

فرضية النيوترينو العقيمة

ومع ذلك، كشفت التجارب السابقة عن سلوك النيوترينو الذي لا يتوافق مع تنبؤات النموذج القياسي. ولتفسير هذه النتائج غير المتوقعة، اقترح العلماء احتمال وجود نوع رابع من النيوترينو يسمى النيوترينو العقيم. سيكون رصد هذا الجسيم أصعب من مراقبة الجسيمات الأخرى لأنه لن يتفاعل مع المادة بأي طريقة أخرى غير الجاذبية.

اختبر علماء MicroBooNE هذه الفكرة من خلال مراقبة النيوترينوات من شعاعين مختلفين وقياس كيفية تذبذبها. وبعد عشر سنوات من جمع البيانات وتحليلها، لم يجد الفريق أي علامة على وجود نيوترينوات عقيمة، مما أغلق الباب أمام أحد التفسيرات الأكثر شعبية لسلوك النيوترينو الغريب.

ساعد ماستباوم في قيادة برنامج تحليل التجربة كمنسق مشارك لأدوات وتقنيات التحليل، والإشراف على كيفية تحويل العلماء للبيانات الأولية إلى نتائج فيزيائية ذات معنى. وقد سبق له أن قاد الفريق الذي عمل على ما يشير إليه فريق البحث بالشكوك المنهجية، وهي المصادر المحتملة للخطأ في القياسات. يتضمن ذلك فهم كيفية تفاعل النيوترينوات مع النوى الذرية، وعدد النيوترينوات الموجودة في الشعاع، وكيفية استجابة الكاشف.

وقال ماستباوم إن تصحيح هذه الشكوك أمر بالغ الأهمية لأنه يسمح للعلماء بالإدلاء ببيانات قوية وموثوقة حول ما تظهره البيانات بالفعل.

مساهمات من علماء روتجرز

عمل باناجيوتيس إنجليزوس، وهو طالب دكتوراه في قسم الفيزياء وعلم الفلك في كلية روتجرز للفنون والعلوم، ضمن فريق إدارة بيانات MicroBooNE، حيث ساعد في معالجة البيانات وإنتاج عمليات محاكاة داعمة. ساعد كينج لين، وهو أيضًا طالب دكتوراه في القسم، في التحقق من صحة تدفق النيوترينو من شعاع NuMI الخاص بفيرميلاب (النيوترينوات من الحاقن الرئيسي)، وهو أحد شعاعي النيوترينو المستخدمين في هذا التحليل. وقد ضمنت هذه الجهود دقة وموثوقية نتائج التجربة.

وقال ماستباوم إن هذه النتيجة مهمة لأنها تستبعد نظرية رئيسية حول الفيزياء الجديدة. وقال إن النموذج القياسي لا يفسر كل شيء، بما في ذلك المادة المظلمة أو الطاقة المظلمة أو الجاذبية، لذلك يبحث العلماء عن أدلة تشير إلى ما هو أبعد من النموذج. إن استبعاد أحد الاحتمالات يساعد في تركيز البحث على أفكار أخرى يمكن أن تؤدي إلى اختراقات في فهم الكون.

لعب علماء روتجرز دورًا حاسمًا في تحليل البيانات وتحسين تقنيات قياس تفاعلات النيوترينو في الأرجون السائل. ستساعد هذه التطورات التجارب المستقبلية، بما في ذلك تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض (DUNE).

وقال ماستباوم: “من خلال النمذجة الدقيقة وأساليب التحليل الذكية، تمكن فريق MicroBooNE من استخراج كمية لا تصدق من المعلومات من هذا الكاشف”. “مع الجيل القادم من التجارب، مثل DUNE، فإننا نستخدم بالفعل هذه التقنيات لمعالجة أسئلة أكثر جوهرية حول طبيعة المادة ووجود الكون.”

المرجع: “البحث عن النيوترينوات الخفيفة العقيمة باستخدام شعاعين من النيوترينو في MicroBooNE” بواسطة تعاونية MicroBooNE، 3 ديسمبر 2025، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-025-09757-7

التمويل: وزارة الطاقة الأمريكية، مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا، الجمعية الملكية، المملكة المتحدة للبحث والابتكار

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.