في عام 2018، ومض خزان من أنقى المياه، مدفونًا تحت أميال من الصخور في أونتاريو، كندا، عندما مر جسيم بالكاد يمكن اكتشافه عبر جزيئاته.
وكانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام الماء للكشف عن جسيم يعرف باسم مضاد النيوترينو، صادر من مفاعل نووي على بعد أكثر من 240 كيلومترا (150 ميلا). يعد هذا الإنجاز المذهل بإجراء تجارب النيوترينو وتكنولوجيا المراقبة باستخدام مواد آمنة وغير مكلفة ويمكن الوصول إليها بسهولة.
النيوترينوات هي واحدة من أكثر الجسيمات وفرة في الكون، وهي أشياء صغيرة غريبة ذات قدرة كبيرة على الكشف عن معلومات أعمق حول الكون. لسوء الحظ، ليس لديها كتلة تقريبًا، ولا تحمل أي شحنة، وبالكاد تتفاعل مع الجسيمات الأخرى. وهي تدور بشكل رئيسي في الفضاء وفي الصخور، كما لو كانت جميع المواد غير ملموسة. هناك سبب يطلق عليها اسم جسيمات الأشباح.
النيوترينوات المضادة هي المكافئ للجسيمات المضادة للنيوترينوات. عادة، يكون للجسيم المضاد شحنة معاكسة لنظيره من الجسيم؛ فالجسيم المضاد للإلكترون سالب الشحنة، على سبيل المثال، هو البوزيترون موجب الشحنة. وبما أن النيوترينوات لا تحمل أي شحنة، فلا يمكن للعلماء سوى تمييزها. على أساس الحقيقة سيظهر نيوترينو الإلكترون بجوار البوزيترون، بينما سيظهر نيوترينو الإلكترون بجانب الإلكترون.
مضادات النيوترينو الإلكترونية تصدر أثناء اضمحلال بيتا النووي، وهو نوع من الاضمحلال الإشعاعي الذي يضمحل فيه النيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد. يمكن لأحد مضادات النيوترينو الإلكترونية أن يتفاعل بعد ذلك مع بروتون لإنتاج بوزيترون ونيوترون، وهو تفاعل يعرف باسم اضمحلال بيتا العكسي.
تُستخدم خزانات كبيرة مملوءة بالسائل ومبطنة بأنابيب مضاعفة ضوئية للكشف عن هذا النوع من التحلل. وهي مصممة لالتقاط التوهج الخافت لل إشعاع شيرينكوف يتم إنشاؤها بواسطة جزيئات مشحونة تتحرك بشكل أسرع من مرور الضوء عبر السائل، على غرار الطفرة الصوتية الناتجة عن كسر حاجز الصوت. ولذلك فهم حساسون جدًا للضوء الضعيف جدًا.
يتم إنتاج النيوترينوات المضادة بكميات هائلة بواسطة المفاعلات النووية، لكن طاقتها منخفضة نسبيًا، مما يجعل اكتشافها صعبًا.
يدخل SN+. وهو مدفون تحت أكثر من كيلومترين من الصخور، وهو أعمق مختبر تحت الأرض في العالم. يوفر هذا التدريع الصخري حاجزًا فعالًا ضد تداخل الأشعة الكونية، مما يسمح للعلماء بالحصول على إشارات جيدة الدقة بشكل استثنائي.
واليوم، يمتلئ خزان المختبر الكروي الذي يبلغ وزنه 780 طنًا بمادة ألكيل بنزين الخطية، وهو وامض سائل يعمل على تضخيم الضوء. وفي عام 2018، أثناء معايرة المنشأة، كانت مملوءة بالمياه فائقة النقاء.
ومن خلال تمشيط 190 يومًا من البيانات التي تم جمعها خلال مرحلة المعايرة هذه في عام 2018، وجد تعاون SNO+ دليلاً على اضمحلال بيتا العكسي. يتم التقاط النيوترون الناتج خلال هذه العملية بواسطة نواة الهيدروجين الموجودة في الماء، والتي بدورها تنتج توهجًا لطيفًا من الضوء عند مستوى طاقة محدد جدًا، 2.2 ميجا إلكترون فولت.
تواجه أجهزة كشف المياه شيرينكوف عمومًا صعوبة في اكتشاف الإشارات التي تقل عن 3 ميجا إلكترون فولت؛ لكن SNO + المملوء بالماء كان قادرًا على اكتشاف ما يصل إلى 1.4 ميجا إلكترون فولت. وينتج عن ذلك كفاءة تبلغ حوالي 50% في اكتشاف الإشارات عند 2.2 ميجا إلكترون فولت. لذلك اعتقد الفريق أن الأمر يستحق البحث عن علامات اضمحلال بيتا العكسي.
حدد تحليل الإشارة المرشحة أنه من المحتمل أن يتم إنتاجها بواسطة مضاد النيوترينو، بمستوى ثقة 3 سيجما، أو احتمال 99.7٪.
وتشير النتيجة إلى أنه يمكن استخدام أجهزة استشعار المياه لمراقبة إنتاج الكهرباء من المفاعلات النووية.
وفي الوقت نفسه، يُستخدم SNO+ لفهم النيوترينوات والنيوترينوات المضادة بشكل أفضل. لأن النيوترينوات موجودة من المستحيل قياسها مباشرة، لا نعرف الكثير عنهم. أحد أكبر الأسئلة هو ما إذا كانت النيوترينوات والنيوترينوات المضادة هما نفس الجسيم تمامًا. إن التدهور النادر وغير المسبوق من شأنه أن يجيب على هذا السؤال. يقوم SNO+ حاليًا بالبحث في هذا الاضمحلال.
“من المثير للاهتمام أن الماء النقي يمكن استخدامه لقياس النيوترينوات المضادة القادمة من المفاعلات وعلى مسافات كبيرة”. قال الفيزيائي لوغان ليبانوفسكي من تعاون SNO+ وجامعة كاليفورنيا في بيركلي، في مارس 2023.
“لقد بذلنا جهدًا كبيرًا في استخراج عدد قليل من الإشارات من بيانات 190 يومًا. وكانت النتيجة مجزية.”
وقد نشر البحث في رسائل الفحص البدني.
نُشرت نسخة من هذه المقالة لأول مرة في أبريل 2023.
