نيوترينو

نكهات النيوترينوات

حيث يُميز المضاد بشرطة فوقه)

من جانب آخر، بعد اكتشاف نيوترينو الإلكترون إلكترون نيوترينو ومضاد نيوترينو الإلكترون أتضح أنه توجد كذلك أنواع أخرى من النيوترينووات؛ مثل «نيوترينو الميوون» ميوون نيترينو، و«مضاد نيوترينو الميوون»، وتاو نيترينو ، و «مضاد تاو نيترينو»؛ وهي جسيمات خفيفة جدا أخف من الإلكترون (هي والإلكترون تسمى لبتونات)، تظهر خلال «تفاعلات ضعيفة»، تسمى تفاعلات القوة النووية الضعيفة. أي يوجد من النيوترينو 6 أنواع سميت نكهات النيوترينو فالاختلافات بينها بسيطة. تلك الستة نيوترينوات هي نيوترينو الإلكترون ومضاده، ونيوترينو الميوون ومضاده وتاو نيترينو ومضاده (أنظر رموزهم:

من جانب آخر، ليس هذا فقط فقد اتضح أن لكل منهم كتلة صغيرة جدا وغير متساوية بينهم، ويستطيع الواحد منهم أن يتحول إلى آخر حيث أن كل منهم يوجد في حالة «رنين كمومي».

مقدمة عامة

وفي هذا الصدد، النيوترينات هي جسيمات أولية، تقدر قيمة دورانها الزاوي «المغزلي» spin بـ ½، ويمكن تصنفيها بذلك مع الجسيمات التي من فصيلة الفرميون. كان العلماء وإلى عهد قريب يعتقدون أن كتلة هذه الجسيمات تساوي 0، غير أن التجارب التي أجريت مؤخرا أثبتت أنه ورغم كون هذه الجسيمات صغيرة جدا إلا أن كتلتها تختلف عن الصفر.

القياس العملي للنيوترينو

وعلى صعيد آخر، عرفت تلك التجربة فيما بعد «بتجربة كووان - راينس للنيوترينو»، حيث تولدت مضادات النيوترينوات الإلكترونية في مفاعل نووي من تحلل بيتا وتفاعلت مع البروتونات في حوض المفاعل النووي فأنتجت نيوترونات وبوزيترونات، طبقا للتفاعل

+ + → + e

من جانب آخر، وفي عدد 20 يوليو 1956 من المجلة العلمية «ساينس» قام الباحثون كلايد كوان، وفريدريك راينس، و«إف. هاريسون»، و«إتش. كروزه»، و«إيه. ماكغير» بنشر نتائج تجاربهم واكتشافهم النيوترينو (نيوترينو الإلكترون) عمليا.

إضافةً إلى ذلك، وكانت تلك النتيجة سببا في منح الباحثين جائزة نوبل للفيزياء في سنة 1995، أي بعد الأكتشاف بنحو 40 عاما.

وفي هذا الصدد، بعد افتراض وجود النيوترينو من قبل العالم ولفجانج باولي اقترح «وانغ غانشانغ» في عام 1942 طريقة للكشف عنه معمليا من خلال اصطياد إلكترون (أحد تحللات بيتا).

نيوترينوات الشمس وتجربة هومستاك

إضافةً إلى ذلك، هذا التفاعل يجري ابتداءا من عتبة طاقة قدرها 0.814 مليون إلكترون فولت، لا بد أن تكون طاقة النيوترينو أعلى منها لكي يتفاعل مع نواة الكلور-37.

في هذا الإطار، وعكف العلماء على الاستكشاف العملي لهذا الافتراض وأجريت تجارب مختلفة كثيرة.

من جهة ثانية، في تجارب أجريت في التسعينات في أنحاء مختلفة من العالم وباستعمال كواشف أخرى أدت إلى التأكد من خاصية «تذبذبات النيوترينوات». تقاسم دافيز في العام 2002 جائزة نوبل في الفيزياء مع ماساتوشي كوشيبا لأبحاث متعلقة بهذه الظاهرة.

علاوةً على ذلك، وفي 2015 مُنح كل من الياباني تاكاكي كاجيتا والكندي أرثر ماكدونالد - لتجربة مرصد سودبوري للنيوترينو - جائزة نوبل للفيزياء لاكتشافهم تذبذب النيوترينو مبينين بذلك أن نيوترينو له كتلة. تجربة مرصد سودبوري استطاعت قياس الثلاث نكهات للنيوترينو، وكان العدد الكلي لهم مساويا لما تأتي به الحسابات النظرية.

وفي هذا الصدد، أجريت تجربة هومستاك في الستينيات من القرن الماضي وقامت بقياس عدد النيوترينوات القادمة من قلب الشمس وكان عدده بين ثلث إلى نصف العدد المتوقع والمحسوبة على أساس النموذج الأساسي للشمس. عدم التوافق هذا بين التجربة والنظرية أصبحت معروفة مشكلة نيوترينو الشمس، وظلت لا حل لها نحو ثلاثين عاما - ظل خلالها الباحثون التدقيق في حساباتهم للتفاعلات في الشمس وطريقة القياس العملي للنيوترينوات بلا جدوى. خلال تلك الفترة اكتشف نيوترينو الميوون ونيوترينو تاو، وافترض بعض العلماء أن الثلاثة نيوترينوات ربما تكون لهم كتل مختلفة، وربما بالتالي أنهم يتذبذبون أثناء طيرانهم إلى الأرض ويظهرون في في نكهات لا يستطيع المكشاف هنا عدّهم.

وفي هذا الصدد، كان العالم ريموند ديفيس بجامعة بنسلفانيا قد خصص وقتاً كبيراً من عمره لاستكشاف النيوترينوات القادمة من الشمس فأنشأ أول كاشف نيوترينوات في العام 1961 على عمق 4800 قدم تحت الأرض. مكان التجربة كان في منجم ذهب تحت الأرض يسمى منجم هومستاك، وكان المكشاف يتكون من خزان كبير يحوي 380 متر مكعب من «بركلورو إيثيلين» وهو منظف كيميائي جاف يحتوي على الكلور. وكان لابد من إجراء التجربة عميقا تحت الأرض للتخلص من تأثير الأشعة الكونية، واختيار مكشاف ضخم للقيام بعد النيوترينوات على هذا العمق. وكان اختيار رباعي كلورو الإيثيلين كمكشاف حيث أن نيوترينو الإلكترون (وهو الوحيد الذي كان معروفا في ذلك الوقت) يتفاعل مع نواة الكلور-37 ويحوله إلى آرغون-37 وهو مشع؛ وعن طريق الأشعة الصادرة من الأرغون-37 يمكن عد النيوترينوات القادمة من الشمس. تفاعل النيوترينو مع الكلور يسير كالتالي:

ومن جهة أخرى، تفاعل النيوترينو مع المادة بصفة عامة يحدث نادرا، فكان ديفيز يطلق غاز الهيليوم خلال خزان المكشاف لجمع ذرات الأرغون التي تكونت. وكانت تعبأ منها عدة سنتيمترات مكعبة في عداد غازي (مع جزء من الكلور المستقر) لقياس تحلل الأرغون، وتعيين عدد النيوترينوات التي تفاعلت. بهذه الطريقة استطاع «ديفيز» تعيين عدد النيوترينوات.

تذبذب النيوترينوات

من جهة ثانية، تلك الطبيعة الفريدة للنيوترينوات أذهلت الباحثين فترة طويلة فلم يتوصلوا إليها إلا بعد الكثير من الدراسات خلال سنوات طويلة، حيث كانت قياساتهم الأولية لم يكن لها تفسير إلا عن طريق أن النيوترينو يتذبذب خلال طريقه ويظهر بنكهات مختلفة.

ومن ناحية أخرى، يتذبذب النيوترينو أثناء طيارنه بين الثلاثة نكهات. فمثلا عندما ينشأ نيوترينو الإلكترون خلال تحلل بيتا فربما يتفاعل مع مكشاف أو عداد كـ "نيوترينو ميوني" أو" نيوترينو تاووي|. ويحدث هذا التذبذب أو الرنين بسبب أن الثلاثة نكهات تتحرك بسرعات مختلفة قريبة من بعضها البعض، بحيث أن حزمهم الموجية الكمومية تكون منزاحة الأطوار، ومع تطابق تلك الاطوار تنشأ الثلاثة نكهات للنيوترينو.

تاريخ النيوترينوات

من جهة ثانية، كانت فرضية النيوترينو قد اقترحت في 1930 بواسطة فولفغانغ باولي لإبقاء مبادئ بقاء الطاقة، حفظ الزخم، وحفظ الزخم الزاوي في تحلل بيتا - عملية تحول النيوترون إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو، طبقا للمعادلة:

ومن ناحية أخرى، اقترحت فرضية فولفغانغ باولي أن جسيما لا يمكن إدراكه كان يحمل معه الفرق الملاحظ في الطاقة؛ أي الزخم والزخم الزاوي للجسيمات الداخلة في تفاعلات معينة ومقاديرها للجسيمات النهائية.

إضافةً إلى ذلك، تم اكتشاف نيوترينو الإلكترون في سنة 1956 و«ميو نيورينو» في سنة 1962 و«تاو نيوترينو» عام 2000.

من جهة ثانية، اقترح وجود النوع الأول عام 1930 وأطلق عليه νe (نيوترينو الإلكترون)؛ حيث كان هذا النيوترينو ينشأ خلال تفاعلات تسمى تفاعل القوة الضعيفة (مثل تحلل بيتا) يظهر خلالها الإلكترون ومعه مضاد نيوترينو إلكتروني أو في نوع آخر من تحلل بيتا ينطلق بوزيترون ومعه نيوترينو إلكتروني. ثم أكتشف في الأربعينيات من القرن الماضي نيوترينو من نوع آخر ينشأ خلال تفاعلات الميوون فسمي νμ «نيوترينو ميووني»؛ وأخيرا اكتشف نوع ثالث في السبعينيات من النيوترينو وهو ντ يظهر في تفاعلات نوع من الميوون يسمى «ميوون تاو»، وسمي نيوترينو تاوي.

سرعة النيوترينوات

علاوةً على ذلك، لاحقاً في يونيو 2012، راجعت سيرن بقياساتها الجديدة التي أجريت في تجارب ساسو الأربعة (أوبرا، إيكاروس، بوركسينو، ومجس الحجم الكبير LVD) التصريح السابق لأوبرا مؤكدين على أن سرعة النيوترينات بقت ضمن مجال سرعة الضوء ولم تتجاوزه.

علاوةً على ذلك، بحسب قوانين النظرية النسبية لأينشتاين، إذا كانت النيوترينوات لها كتلة لاصفرية فينبغي ألا تصل إلى سرعة الضوء ولكن لم تثبت حتى اليوم تجارب دقيقة تؤكد كتلة لها.

وفي السياق ذاته، كان فريق أوبرا التابع لمشروع سيرن قد أعلن في أواخر 2011 عن تأكيدات التجارب السابقة التي أجريت في الثمانينات من القرن الماضي بأن سرعة النيوترينوات أكبر قليلاً من سرعة الضوء (1.00005 من سرعة الضوء) وحتى مع صحة الأدعاء فقد كانت لا تزال ضمن مبدأ الريبة.

,

إضافةً إلى ذلك، وتشير قياسات الرصد الفلكي إلى أن مجموع كتل الثلاثة أنواع تشكل أقل من واحد من المليون من كتلة الإلكترون.

ثلاثة أجيال من النيوترينو ونقيض النيوترينو

كل جسيم من اللبتونات له عزم مغزلي 1/2.

في هذا الإطار، طبقا للمعلومات الحديثة يمكن للنيوترينوات التحول من نوع إلى نوع، حيث تشكل الثلاثة أنواع تتطابق لثلاثة حالات كمومية و و

ويعتقد أن كل منها له كتلة لا تزال غير معروفة.

وفي هذا الصدد، تعتبر النيوترينوات من ضمن الليبتونات. وكل من اللبتونات يتكون من جسيم مشحون كهربائيا: الإلكترون وميون وتاوون ويتمي لكل منهم نيوترينو متعادل الشحنة: نيوترينو-الإلكترون ، ونيوترينو-الميون ، ونيوترينو-التاوون . بالإضافة لكل هؤلاء توجد مضادتها ممثلة في 6 من مضاد المادة.

إضافةً إلى ذلك، وقد بينت قياسات عداد L3-Detektor في مركز أبحاث سيرن أن عدد النيوترينوات ذات كتلة أقل من كتلة بوزون Z تبلغ 3 أنواع من النيوترينوات.

قياس النيوترينو خلال تحلل بيتا المحفز

علاوةً على ذلك، وبذلك تحقق أن ما اقترحته النظرية وما وجدته التجربة إنما كان هو نقيض النيوترينو.

في هذا الإطار، ويؤكد التزامن بين إصدار أشعة غاما الناشئة من إفناء البوزيترون وإصدار شعاع غاما الناشئ عن امتصاص النيوترون - أي حدوثهما وتسجيلهما في نفس اللحظة - التفاعل الذي قام به نقيض النيوترينو.

إضافةً إلى ذلك، وفي 20 يوليو 1956 نشرت مجلة ساينس Science العلمية بحثا للفيزيائيين كلايد كوان وفريدريك راينس وباحثين آخرين معهم يؤيد أنهم قاموا بقياس النيوترينو والتحقق من وجوده. وقد حازا على ذلك الاكتشاف بعد مدة طويلة على جائزة نوبل للفيزياء عام 1995.

من جانب آخر، وتعرف تلك التجربة الآن بتجربة كووان-راينس للنيوترينو، حيث صوبت نيوترينوات صادرة من مفاعل نووي ناشئة من تحلل بيتا إلى بروتونات ونتج عن التفاعل نيوترونات وبوزيترونات، طبقا لمعادلة التفاعل:

من جهة ثانية، في عام 1942 أقترح كان-شانج وانج استخدام امتصاص أشعة بيتا من أجل قياس النيوترينو.

إضافةً إلى ذلك، والبوزيترون الموجب الشحنة سرعان ما يجد إلكترونا وينفنيا معا مصدران شعاعين من أشعة غاما، ويمكن عد أشعة غاما الناشئة. ويمكن قياس النيوترون الناشئ عن طريق امتصاصه بنواة ذرة مناسبة، وينتج عن الامتصاص كذلك شعاعا من أشعة غاما.

تذبذب النيوترينو

إضافةً إلى ذلك، تنشأ النيوترينوات وتقاس عادة مصحوبة بنكهة (إلكترون أو ميون أو تاوون). وظهرت ظاهرة جديدة تسمى تذبذب النيوترينو، وهي أن النيوترينوات تستطيع التذبذب بين ثلاثة نكهات أثناء مسارها في فراغ الكون. وهذا يحدث بسبب أن العدد الكمومي لنكهته، وإتجاه الذاتي لنكهته، والطاقته الذاتية لنكهته ليست هي نفسها كما هي لحالة كتلة النيوترينو (وتسمى الحالات 1، 2، 3). وهذا يسمح للنيوترينو الذي صدر كنيوترينو إلكترون أن هناك احتمال أثناء الطريق أن يتحول ويُسجل كنيوترينو ميون أو نيوترينو تاو.

في هذا الإطار، وقد خمن هذا التأثير الناجم عن ميكانيكا الكم بسبب التعارض بين عدد نيوترينوات الإكترون التي سجلت من قلب الشمس وبين العدد الذي تحسبه النظرية، وتعرف تلك المسألة بمشكلة نيوترينو الشمس. وطبقا للنموذج الأساسي يعني وجود تذبذب لنكهة النيوترينو أن الفروق بين كتل النيوترينو ليست صفرا، حيث يعتمد مدى اختلاط نكهات النيوترينو عند زمن معين على مربع كتلته.

• إنظر كذلك
• تجربة سوبر كاميوكاندي
• تجربة مكعب الثلج
• جسيمات أولية
• تحلل بيتا
• إشعاع بيتا المزدوج عديم النيوترينو
• تذبذب النيوترينو
• تجربة هومستاك
• علم فلك الطاقة العالية
• تجربة كاترين للنيوترينو
• المصادر

نقيض النيوترينو

من جهة ثانية، نقيض النيوترينو أو مضاد النيوترينو هو الجسيم المضاد للنيوترينو يحمل شحنة محايدة. يصحب هذا الجسيم انبعاث جسيم بيتا حينما يتحول نيوترون إلى بروتون. يبلغ عزمه المغزلي 1/2 وهو ينتمي إلى مجموعة الليبتونات. جميع النيوترينوات المضادة التي خضعت للمراقبة كان عزمها المغزلي من جهة اليمين وهو عكس لف النيوترونات. تتفاعل النيوترونات المضادة مع المادة إما بقوى الجاذبية أو التآثر الضعيف لذا يصعب مشاهدتها مخبريا. اكتشفت النيوترونات المضادة لأول مرة كنتيجة لتفاعلها مع نواة ذرة الكادميوم في خزان كبير للمياه. ثبت هذا الخزان بجانب مفاعل نووي كمصدر للنيوترونات المضادة. تشير تجارب تذبذب النيوترينو إلى أن مضاد النيوترينو لها كتلة لكن تجارب تحلل بيتا تصغر من قيمتها.

إضافةً إلى ذلك، بما أن النيوترينوات ومضادتها محايدة كهربائيا فيرجح أنها نفس الجسيم. والجسيمات التي تمتلك هذه الخاصية تعرف بجسيمات ماجورانا. إذا كانت النيوترينوات جسيمات ماجورانا فإن تحلل بيتا الثنائي قد يتحقق وقد بدأت بعض التجارب بحث هذه المسألة. بدأ الباحثون حول العالم التحقيق في إمكانية قياس نقيض النيوترينو كوسيلة لمراقبة المفاعلات لمنع الانتشار النووي في إطار معاهدة منع الانتشار النووي.

(في هذا التفاعل يتفاعل مضاد النيوترينو (ν

إضافةً إلى ذلك، كل واحد من البوزيترونات (موجب الشحنة) يجد سريعا إلكترونا (سالب الشحنة) يتفاعل معه مؤديا إلى تفاعل إفناء، حيث يفنى كل زوج منهم وينتجا أشعة غاما التي أمكن تسجيلها. في نفس اللحظة أمكن تسجيل النيوترونات الناتجة حيث تنتج أشعة غاما هي الأخرى في الحساس آنيا. ويُكشف عن أشعة غاما الناتجة من تفاعل الإفناء وأشعة غاما الناتجة من النيوترونات في الحساس «آنيا» - أي خلال فترة زمنية اتساعها عدة مللي ثانية؛ فتسجيلهما آنيا هو دليل على تفاعل مضاد النيوترينو مع البروتون.

) مع البروتون، فينتج نيوترونا وبوزيترون (+ e موجب الشحنة)