دحض الفيزيائيون إحدى الفرضيات المتعلقة بالنيوترينو الرابع “العقيم”.

وبعد ما يقرب من ثلاثين عاما من البحث، أعلن العلماء رسميا أن النيوترينو العقيم، الذي كان يعتبر أبسط تفسير للسلوك الغريب للنيوترينوات العادية، غير موجود على الأرجح. وهذه واحدة من أهم النتائج في فيزياء الجسيمات في السنوات الأخيرة. يتم نشر النتائج في طبيعة.

من أين جاءت فكرة النيوترينو الرابع؟

النيوترينوات هي جسيمات صغيرة يتم إنشاؤها في التفاعلات النووية داخل النجوم، بما في ذلك شمسنا، وتكتسحنا بالتريليونات في كل ثانية. هناك ثلاثة “أنواع” منها: نيوترينوات الإلكترون والميون والتاو. في ستينيات القرن الماضي، لاحظ العلماء أن النيوترينوات يمكن أن تغير مظهرها أثناء طيرانها، وهي ظاهرة تسمى التذبذب. لقد تم منح جائزة نوبل لاكتشاف التذبذبات في عام 2015.

لكن في التسعينيات، شهدت تجربتان – LSND في لوس ألاموس وMiniBooNE في فيرميلاب – شيئًا غريبًا: كانت نيوترينوات الميون تتحول إلى نيوترينوات إلكترونية بسرعة كبيرة جدًا وعلى مسافات قصيرة جدًا. ولا يمكن تفسير هذا السلوك بثلاثة نيوترينوات عادية وقوانين الفيزياء المعروفة.

وجاء التفسير الأكثر موضوعية على الفور تقريبًا: لا بد أن يكون هناك نوع رابع، وهو النيوترينو العقيم. ولا يشارك في التفاعلات الضعيفة، لذلك لا يترك أي أثر تقريبًا في أجهزة الكشف ويمكنه التأثير على التذبذبات “من الظل”. وعلى مدى ثلاثة عقود، أصبحت هذه الفرضية هي الأكثر شعبية بين الفيزيائيين.

MicroBooNE: الكاشف الذي غير كل شيء

ولاختبار الفكرة، أطلقوا في عام 2015 تجربة MicroBooNE، وهي عبارة عن خزان ضخم يحتوي على 170 طنًا من الأرجون السائل فائق النقاء، مبردًا إلى -186 درجة مئوية. عندما يطير النيوترينو عبر الأرجون، فإنه يصطدم أحيانًا بنواة الذرة وينتج جسيمات مشحونة. إنها تترك ومضات ضوئية ومسارات تأين، والتي يتم اكتشافها بواسطة 5000 جهاز كشف ضوئي وكاميرات سلكية.

الميزة الرئيسية لـ MicroBooNE هي أنه يلتقط النيوترينوات من مصدرين مختلفين في نفس الوقت: شعاع معزز قصير (مسافة 470 مترًا) وشعاع NuMI أكثر قوة (700 متر). وهذا جعل من الممكن مقارنة النتائج في ظل نفس الظروف وتقليل أخطاء القياس بشكل كبير.

ومن عام 2015 إلى عام 2021، سجل الكاشف عشرات الآلاف من تفاعلات النيوترينو. إذا كان هناك نيوترينو عقيم بكتلة تبلغ حوالي 1 فولت (هذه هي المنطقة التي تم البحث عنها)، فإنه سيترك فائضًا واضحًا من نيوترينوات الإلكترون على مسافة قصيرة. ولكن لم يتم العثور على شيء من هذا القبيل.

ما أظهرته التجربة

وأظهر تحليل البيانات، الذي استمر عدة سنوات، الغياب التام للإشارة. تم استبعاد النيوترينو العقيم الذي يحتوي على معلمات من شأنها أن تفسر شذوذ LSND وMiniBooNE باستخدام الموثوقية 95%. بشكل أساسي، تكون المنطقة بأكملها التي يمكن أن يختبئ فيها نيوترينو معقم واحد مغلقة.

يقول البروفيسور جوستين إيفانز من جامعة مانشستر، أحد قادة التعاون:

“كلما استبعدت مكانًا واحدًا قد توجد فيه فيزياء خارج النموذج القياسي، فإن ذلك يجبرك على النظر إلى مناطق أخرى. ستحفز هذه النتيجة الإبداع في مجتمع فيزياء النيوترينو للتوصل إلى طرق أكثر إثارة للبحث عن فيزياء جديدة.

في بعض الأحيان، لا يقتصر العلم على ما تكتشفه فحسب، بل يتعلق أيضًا بما لم تكتشفه.

الذي جعل النتيجة ممكنة

لعب العلماء البريطانيون دورًا رئيسيًا. الدكتورة ايلينا جراميليني من مانشستر قاد تحليل البيانات من شعاع NuMI، وطورت البروفيسورة Roxanne Guenette الإستراتيجية الكاملة للبحث عن تذبذبات خط الأساس القصير أثناء مرحلة تصميم الكاشف.

يضيف ماثيو توبس من فيرميلاب:

“من المثير أن ننخرط في كل من العلوم المتطورة التي لها تأثير كبير على مجالنا وتطوير أساليب جديدة من شأنها دعم وتمكين القياسات العلمية المستقبلية.”

ما هو التالي

ويظل اللغز قائمًا: الشذوذ في LSND وMiniBooNE لم يختفِ. الآن سوف يفكر العلماء في خيارات أكثر غرابة: عدد قليل من النيوترينوات العقيمة، أو التفاعلات غير القياسية، أو اضمحلال النيوترينو، أو حتى الاتصال بالمادة المظلمة. يقوم فيرميلاب بالفعل بتشغيل برنامج نيوترينو قصير الأساس مع ثلاثة أجهزة كشف، وسيتم إطلاق DUNE العملاق في السنوات القادمة. ستصبح التقنيات التي تم تطويرها في MicroBooNE الأساس لهذه المشاريع.