يمكن لجسيمات “شبحية” صغيرة أن تفسر سبب وجود الكون

أدى الجهد المشترك بين اثنتين من أكبر تجارب النيوترينو في العالم إلى تقريب العلماء من فهم كيفية نجاة الكون من بداياته العنيفة.

يمكن أن تكشف النتائج سبب وجود المادة على الإطلاق، ولماذا لم يختفي كل شيء منذ فترة طويلة.

العلماء يتحدون لاستكشاف سبب وجود الكون

ساعد باحث من جامعة ولاية ميشيغان في قيادة تعاون رائد يمكن أن يجعل العلماء أقرب إلى فهم كيفية نشوء الكون.

لأول مرة، قامت تجربتان من أكبر تجارب النيوترينو في العالم – T2K في اليابان وNOvA في الولايات المتحدة – بدمج بياناتهما للحصول على رؤية جديدة للنيوترينوات، وهي الجسيمات الشبيهة بالأشباح التي تتدفق باستمرار عبر الفضاء ولكنها لا تتفاعل أبدًا مع مادة أخرى.

ويقدم تحليلهم المشترك، المنشور في مجلة Nature، بعضًا من أكثر القياسات دقة على الإطلاق لكيفية تحول النيوترينوات بين الأنواع أثناء انتقالها. يضع هذا الإنجاز أساسًا مهمًا للتجارب المستقبلية التي يمكن أن تعيد تشكيل فهمنا لكيفية تطور الكون، أو تكشف أن النظريات الحالية غير مكتملة.

لعب كيندال ماهن، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة ولاية ميشيغان والمتحدث المشارك باسم T2K، دورًا رائدًا في تنسيق المشروع. ومن خلال العمل معًا، وصلت التجربتان إلى مستوى من الدقة لم يكن من الممكن لأي منهما تحقيقه بمفرده.

قال ماهن: “كان هذا انتصارًا كبيرًا لمجالنا”. “هذا يدل على أنه يمكننا إجراء هذه الاختبارات، ويمكننا النظر في النيوترينوات بمزيد من التفصيل، ويمكننا أن ننجح في العمل معًا.”

اختلال التوازن الكوني: لماذا نجت المادة

يعتقد الفيزيائيون أنه عندما تشكل الكون لأول مرة، كان من المفترض أن تكون المادة والمادة المضادة موجودتين بكميات متساوية. ولو كان ذلك صحيحا لكان الاثنان قد دمرا بعضهما البعض تماما. ومع ذلك، نجت المادة بطريقة ما، مما سمح للنجوم والكواكب والحياة بالتشكل، وما زال العلماء لا يفهمون السبب تمامًا.

يشك الكثيرون الآن في أن النيوترينوات يمكن أن تحمل الإجابة. قد تساعد هذه الجسيمات الصغيرة عديمة الكتلة تقريبًا في تفسير كيف اكتسبت المادة اليد العليا على المادة المضادة. يهتم الباحثون بشكل خاص بعملية تسمى تذبذب النيوترينو، حيث تغير النيوترينوات تلقائيًا “نكهتها” أو نوعها أثناء تحركها عبر الفضاء.

قال جوزيف والش، زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة ولاية ميشيغان، والذي عمل في المشروع: “إن النيوترينوات ليست مفهومة جيدًا”. “كتلتها الصغيرة جدًا تعني أنها لا تتفاعل كثيرًا. تمر مئات التريليونات من النيوترينوات القادمة من الشمس عبر جسمك كل ثانية، لكنها ستمر جميعها تقريبًا بشكل مباشر. نحن بحاجة إلى إنتاج مصادر مكثفة أو استخدام أجهزة كشف كبيرة جدًا لمنحها فرصة كافية للتفاعل حتى نتمكن من رؤيتها ودراستها. “

كيف يتتبع T2K وNOvA الجسيمات بعيدة المنال

كل من T2K و NOvA هما ما يسميه العلماء تجارب خط الأساس الطويل. يطلق كل واحد شعاعًا مركزًا من النيوترينوات نحو كاشفين: كاشف قريب قريب من مكان إنتاج الشعاع، وكاشف بعيد على بعد مئات الأميال. ومن خلال مقارنة القياسات من الاثنين، يمكن للباحثين تتبع كيفية تغير النيوترينوات أثناء انتقالها.

على الرغم من أن T2K وNOvA يشتركان في أهداف مماثلة، إلا أنهما يختلفان في المسافات ونطاقات الطاقة. وهذا يجعل بياناتهم متكاملة، والجمع بينها يعطي العلماء صورة أكثر اكتمالا عن سلوك النيوترينو.

وقالت ليودميلا كولوبايفا، المتعاونة مع NOVA: “من خلال إجراء تحليل مشترك، يمكنك الحصول على قياس أكثر دقة مما يمكن أن تنتجه كل تجربة بمفردها”. “كقاعدة عامة، التجارب في فيزياء الطاقة العالية لها تصميمات مختلفة حتى لو كان لها نفس الهدف العلمي. التحليلات المشتركة تسمح لنا باستخدام الميزات التكميلية لهذه التصاميم.”

لغز كتلة النيوترينو

أحد أكبر الألغاز في فيزياء الجسيمات يسمى “ترتيب كتلة النيوترينو” – تحديد أي نوع من النيوترينو هو الأخف. الإجابة ليست واضحة لأن كل “نكهة” للنيوترينو هي مزيج من ثلاث حالات كتلة، وكل حالة كتلة تتصرف بشكل مختلف.

هناك احتمالان رئيسيان. في الترتيب “العادي”، هناك حالتان من الكتلة خفيفة وواحدة ثقيلة. وفي الترتيب “المقلوب”، يتم عكس النمط. تؤثر هذه الترتيبات على كيفية تغيير نكهات النيوترينوات وشركائها من المادة المضادة، المعروفة باسم النيوترينوات المضادة.

في الحالة الطبيعية، من المرجح أن تتحول نيوترينوات الميون إلى نيوترينوات إلكترونية، في حين أن نيوترينوات الميون المضادة أقل احتمالية أن تفعل الشيء نفسه. وفي الحالة المقلوبة، ينقلب الوضع. إذا كانت النيوترينوات والنيوترينوات المضادة تتصرف بشكل مختلف، فهذا يعني أنها تنتهك مبدأ تكافؤ الشحنة (CP)، وهو مبدأ يقول إن المادة والمادة المضادة يجب أن يعكس كل منهما الآخر. يمكن أن يساعد هذا الانتهاك في تفسير سبب احتواء الكون للمادة على الإطلاق.

ما تكشفه النتائج

التحليل المشترك من NOvA وT2K لا يفضل حتى الآن أيًا من الطلبات الجماعية. إذا كان الترتيب الطبيعي صحيحًا، فإن البيانات حتى الآن غير واضحة حول تناظر CP. ولكن إذا أكدت النتائج المستقبلية الترتيب المقلوب، فإن النتائج المنشورة الآن تشير إلى أن النيوترينوات قد تنتهك بالفعل تناظر CP.

إذا لم يحدث انتهاك لتماثل CP، فإن العلماء سيفقدون أحد أقوى تفسيراتهم لسبب وجود المادة بكميات أكبر من المادة المضادة. وفي كلتا الحالتين، تمثل هذه الدراسة المشتركة خطوة أساسية نحو حل أحد ألغاز الفيزياء الأكثر ديمومة.

جهد عالمي في الاكتشاف

وفي حين أن النتائج لم تحل بعد لغز النيوترينوات، إلا أنها تضيف معرفة قيمة حول كيفية تصرف هذه الجسيمات وتوضح ما يمكن أن يحققه التعاون العلمي واسع النطاق.

يضم تعاون NOvA أكثر من 250 عالمًا ومهندسًا من 49 مؤسسة في ثمانية بلدان. يضم فريق T2K أكثر من 560 عضوًا من 75 مؤسسة في 15 دولة. بدأ عملهم المشترك في عام 2019، بالاعتماد على ثماني سنوات من بيانات NOvA وعشر سنوات من T2K. تستمر كلتا التجربتين في جمع بيانات جديدة لتحسين التحليل وتوسيعه.

وقال توماش نوزيك Tomáš Nosek، المتعاون مع T2K: “هذه النتائج هي نتيجة للتعاون والتفاهم المتبادل بين عملين فريدين من نوعه، وكلاهما يضم العديد من الخبراء في فيزياء النيوترينو، وتقنيات الكشف، وتقنيات التحليل، ويعملون في بيئات مختلفة جدًا، باستخدام أساليب وأدوات مختلفة”.

المرجع: “تحليل تذبذب النيوترينو المشترك من تجارب T2K وNOvA” بواسطة تعاونية NOvA وتعاونية T2K، 22 أكتوبر 2025، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-025-09599-3

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