هذا الجسيم الغريب غير موجود في الواقع

النتائج الجديدة من تجربة MicroBooNE تستبعد وجود النيوترينو العقيم، مما يعيد تشكيل طريقة تفكير العلماء حول شذوذات النيوترينو طويلة الأمد.

بعد سنوات عديدة من التحقيق، توصل الباحثون الذين يعملون في تجربة Micro Booster Neutrino (MicroBooNE) إلى أن الجسيم المقترح المعروف باسم النيوترينو العقيم غير موجود. تمت مناقشة هذا الجسيم على نطاق واسع كإجابة محتملة للمشكلات التي لم يتم حلها في فيزياء الجسيمات. الإبلاغ عن النتائج التي توصلوا إليها في المجلة طبيعة، قام الفريق بشكل كبير بتضييق قائمة التفسيرات لواحد من أكثر الألغاز المستمرة المتعلقة بالنيوترينوات.

وقال أستاذ الفيزياء المساعد بجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا: “النيوترينوات هي جسيمات أساسية مراوغة يصعب اكتشافها تجريبيا، ومع ذلك فهي من بين الجسيمات الأكثر وفرة في الكون”. ديفيد كاراتيليالذي كان منسق الفيزياء للتجربة عندما تم إجراء هذا التحليل.

وكما أوضح كاراتيلي، فقد أسفرت التجارب السابقة عن نتائج تتعارض مع الفهم الراسخ للنيوترينوات، مما دفع العلماء إلى النظر في وجود نوع رابع من النيوترينو – النيوترينو “العقيم”. ومع ذلك، فإن قياسات MicroBooNE الجديدة لا تدعم هذه الفكرة، مما يدل على أن البيانات غير متسقة مع مثل هذا الجسيم.

ووصف كاراتيلي النتيجة بأنها خطوة مهمة للأمام في هذا المجال، مشيرًا إلى أن التخلص من هذه الفرضية القديمة يساعد في زيادة حدة البحث عن جسيمات غريبة أخرى. كما أنه يوفر إرشادات قيمة للجيل القادم من التجارب الأكبر المصممة لاستكشاف الطبيعة الأساسية للنيوترينوات.

حصل العمل على تمويل جزئي من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية والمؤسسة الوطنية للعلوم.

لغز النيوترينو

يقدم النموذج القياسي إطارًا قويًا ومتسقًا داخليًا لفهم الجسيمات والقوى التي تشكل الكون، وقد تم تأكيد العديد من تنبؤاته من خلال التجارب. ومع ذلك، لا تزال بعض الجوانب غير مفسرة، وتستمر في تحدي الفيزيائيين.

قال ماثيو توبس، كبير العلماء في مختبر فيرميلاب والمتحدث المشارك باسم MicroBooNE: “نحن نعلم أن النموذج القياسي يقوم بعمل رائع في وصف مجموعة من الظواهر في العالم الطبيعي”. “وفي الوقت نفسه، نعلم أنها غير مكتملة. فهي لا تأخذ في الاعتبار المادة المظلمة، أو الطاقة المظلمة، أو الجاذبية.”

إحدى هذه الفجوات في الفهم هي في عالم النيوترينوات، التي توقع النموذج في البداية أنها عديمة الكتلة. ومع ذلك، فقد أشارت سلسلة من التجارب في النصف الأخير من القرن العشرين لقياس النيوترينوات عند وصولها من الفضاء الخارجي إلى أن شيئًا غريبًا كان يحدث مع هذه الجسيمات التي تسمى “الشبح”. بشكل أساسي، لاحظت هذه التجارب أن بعض “نكهات” النيوترينو – التي تأتي إما بنكهات الإلكترون أو الميون أو التاو – كانت تختفي أثناء سفرها، مما دفع العلماء إلى استنتاج أن هذه الجسيمات كانت تتأرجح بين النكهات، وتغير هوياتها أثناء سفرها.

وأوضح كاراتيلي: “الطريقة الوحيدة التي يمكن أن يحدث بها هذا التذبذب هي أن تكون للنيوترينوات كتلة”. “هذا شيء لم يتوقعه النموذج القياسي.”

مزيد من التحقيقات التي أجريت في التسعينيات في كاشف النيوترينو السائل (LSND) في مختبر لوس ألاموس الوطني وتجربة MiniBooNE في فيرميلاب حول تذبذب النيوترينو، كشفت عن لغز آخر: نيوترينوات الميون تتأرجح إلى نيوترينوات إلكترونية بطريقة غير ممكنة مع ثلاث نكهات نيوترينو فقط. وأوضح جوستين إيفانز، الأستاذ في جامعة مانشستر والمتحدث المشارك باسم MicroBooNE: “إن التفسير الأكثر شعبية لهذه الحالات الشاذة على مدى الثلاثين عامًا الماضية هو النيوترينو العقيم الافتراضي”.

بالمقارنة مع النيوترينوات الثلاثة المعروفة، والتي تقترن بنظيراتها المشحونة عبر القوة الكهروضعيفة، فإن هذا النيوترينو الرابع الافتراضي لن يقترن بنظيره المشحون عبر القوة الضعيفة.

أدخل MicroBooNE، وهو كاشف أكثر حساسية تم بناؤه في Fermilab لملاحظة بدقة أكبر هذه التذبذبات التي تبدو شاذة.

للتحقيق في الأمر، أخذ تعاون MicroBooNE بيانات من شعاعين نيوترينو في حرم فيرميلاب من عام 2015 إلى عام 2021. توجه هذه الحزم النيوترينوات نحو غرفة إسقاط زمن الأرجون السائل MicroBooNE، وهي أداة تسمح للباحثين بمراقبة النيوترينوات أثناء تفاعلها مع الأرجون السائل شديد الحساسية داخل الغرفة.

وقال كاراتيلي: “نحن ننتج نيوترينوات من نوع واحد ونضع أجهزة الكشف لدينا في المواقع المثالية حتى نتمكن من تعظيم احتمالية العثور على هذا النيوترينو العقيم”. “من الناحية العملية، ما فعلناه هو إنتاج نيوترينوات الميون، وإذا كان هناك نيوترينو عقيم، فسنرى ظهور نيوترينوات الإلكترون.”

ثم قاموا بقياس عدد نيوترينوات الإلكترون التي وصلت إلى الكاشف، واختبروا البيانات مقابل المعدلات التي سيحصلون عليها إذا كان هناك نيوترينو عقيم، وأيضًا مقابل التنبؤ إذا لم يكن هناك نيوترينو عقيم. “في الأساس، ما كنا نبحث عنه هو تأثير ظهور نيوترينوات إلكترونية جديدة ناجمة عن ظاهرة التذبذب هذه.”

وقال كاراتيلي إن ما رأوه كان متسقًا مع عدم وجود تذبذبات في النيوترينو العقيم، وبالتالي استبعد وجود هذا الجسيم الافتراضي. جاء هذا العمل بعد نتيجة سابقة قادتها مجموعة UCSB نشرت في رسائل مراجعة الفيزياء في صيف عام 2025، والذي استبعد وجود فائض من النيوترينوات الإلكترونية.

“تحول نموذجي”

في حين أن التعاون قد أغلق الباب أمام فرضية النيوترينو العقيم، إلا أن اللغز الذي اكتشفه LSND وMiniBooNE لا يزال قائمًا، وهو لغز يتوق العلماء إلى الغوص فيه باستخدام أجهزة كشف أكثر قوة.

قال كاراتيلي: “أعتقد أن هذا يمثل نقلة نوعية بالنسبة لنا”. بعد استبعاد فرضية النيوترينو العقيم التي يبلغ عمرها 30 عامًا تقريبًا، يتطلع الباحثون إلى استكشاف مشهد أوسع بكثير من النظريات التي يمكن أن تفسر هذا الشذوذ، وبشكل عام، تتناول الأسئلة المفتوحة في فيزياء الجسيمات، بما في ذلك الكشف عن طبيعة المادة المظلمة.

وأضاف كاراتيلي: “لدينا قائمة أكثر تنوعًا من الخيارات التي ندرسها”. وللقيام بذلك، يستفيد الباحثون أيضًا من التكنولوجيا والأساليب التي طوروها وأتقنوها في عملهم مع MicroBooNE لاتخاذ نهج متعدد الكاشفات.

يبحث أحد هذه الخيارات في ما إذا كانت الفوتونات، من خلفية محتملة خاطئة أو تفسير فيزيائي جديد بديل، قد تكون مسؤولة عن هذه الحالات الشاذة. أطلق أستاذ الفيزياء بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو والمتعاون مع MicroBooNE شياو لوه مؤخرًا تحليل أولي الذي يبدأ في التحقيق في هذه الفرضية الجديدة. سيكون برنامج النيوترينو القصير الأساسي الأوسع في فيرميلاب، والذي يساهم فيه فريق جامعة كاليفورنيا، قادرًا على دراسة هذه الأسئلة بتفصيل أكبر في السنوات القادمة.

وفي الوقت نفسه، يجري الإعداد والبناء ل تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض (DUNE). يقع على بعد ميل واحد تحت الأرض في منشأة سانفورد للأبحاث تحت الأرض في داكوتا الجنوبية، وسيستقبل كاشف الجسيمات، الذي سيكون الأكبر من نوعه على الإطلاق، أقوى شعاع في العالم من النيوترينوات عالية الطاقة التي يتم إطلاقها عبر الأرض من فيرميلاب، على بعد 800 ميل.

وقال كاراتيلي، وهو عضو في تعاون DUNE: “إن MicroBooNE كبير الحجم، فهو بحجم حافلة مدرسية. لكن DUNE يشبه ملعب كرة القدم”. إن حساسيته ودقته وكمية البيانات التي سيولدها يمكن أن تمنح العلماء رؤى ليس فقط عن تذبذبات النيوترينو، ولكن أيضًا عن أسرار الفيزياء الأخرى التي ترتبط بها النيوترينوات، مثل لماذا يحتوي الكون على مادة أكثر من المادة المضادة.

قال كاراتيلي: “أحد الأشياء الرئيسية التي فعلتها MicroBooNE هو منحنا الثقة وتعليمنا كيفية استخدام هذه التكنولوجيا لقياس النيوترينوات بدقة عالية. ما تعلمناه مع MicroBooNE حول كيفية تحليل البيانات التي تأتي إلى الكاشف ينطبق مباشرة على DUNE”.

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

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