- النيوترينوات عبارة عن جسيمات صغيرة يمكنها أن تحمل أسرارًا لبعض أعظم ألغاز الكون.
- ويأمل مشروع DUNE في معرفة المزيد عن هذه “الجزيئات الشبحية” التي يصعب دراستها.
- وللقيام بذلك، سيقوم المشروع بإطلاق النيوترينوات على مسافة 800 ميل تقريبًا بين إلينوي وداكوتا الجنوبية.
منذ ما يقرب من سبع سنوات، بدأت الفرق في استخراج 800 ألف طن من الصخور من منطقة منجم ذهب قديم بالقرب من ليد في داكوتا الجنوبية.
يبلغ طول الكهوف الثلاثة الناتجة تحت الأرض 500 قدم ويكاد يكون ارتفاعها كافيًا لاحتواء مبنى مكون من سبعة طوابق.
من المتوقع أن تبلغ تكلفة مشروع DUNE (تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض) ما لا يقل عن 3 مليارات دولار، ويقوده علماء من وزارة الطاقة الأمريكية. فيرميلاب.
في نهاية المطاف، سيحتوي كل كهف على 17500 طن من الأرجون السائل لمساعدة فيزيائيي فيرميلاب على اكتشاف الجسيمات بعيدة المنال المعروفة باسم النيوترينوات، والمعروفة أيضًا باسم “الجسيمات الشبحية”.
النيوترينوات هي جسيمات دون ذرية تحيط بك وتمر من خلالك دون أن يلاحظها أحد. الشمس تخلقهم. السوبرنوفا تصنعها؛ حتى الموز ينتج النيوترينوات.
وقالت ماري بيشاي، عالمة الفيزياء والمتحدثة باسم DUNE، لموقع Business Insider كل ثانية: “إذا رفعت يدك، فإن 10 مليار نيوترينو من الشمس تمر عبر يدك”.
تُلقب النيوترينوات بالجسيمات الشبحية لأنها لا تحتوي على شحنة كهربائية، وبالتالي نادرًا ما تتفاعل مع أي شيء تتلامس معه.
وهذا أيضًا يجعل دراستها صعبة للغاية، لكن العلماء يصرون على الرغم من ذلك، لأن النيوترينوات قد تحمل المفتاح لكشف أسرار الكون، بدءًا من ما حدث بعد الانفجار الكبير مباشرة إلى مراقبة ولادة ثقب أسود.
شعاع النيوترينو بين إلينوي وجنوب داكوتا
من الصعب دراسة جسيم لا يصدر إشعاعات وأخف من الإلكترون. وقال بيشاي: “إن تفاعلات النيوترينو هي بمثابة إبر في كومة قش”.
ويريد علماء فيرميلاب دراسة النيوترينوات بتفاصيل غير مسبوقة، كما لم يحدث من قبل، باستخدام DUNE.
ولهذا السبب سيكون لدى DUNE أكبر كاشف للنيوترينو من هذا النوع على الإطلاق.
بمجرد الانتهاء، تم تصميم التجربة لتبدأ بسلسلة من مسرعات الجسيمات في فيرميلاب خارج شيكاغو، إلينوي.
ستطلق المسرعات أولاً شعاعًا قويًا للغاية من النيوترينوات من خلال كاشف في فيرميلاب. سيسافر الشعاع بعد ذلك مسافة 800 ميل تحت الأرض إلى أجهزة الكشف في مركز الأبحاث تحت الأرض في سانفورد، داكوتا الجنوبية.
وعلى طول الطريق، ستفعل النيوترينوات شيئًا غريبًا للغاية. هناك ثلاثة أنواع من النيوترينوات، ويمكن للجسيمات التبديل بينها، وهي ظاهرة تعرف باسم التذبذب. قام أحد علماء فيرميلاب بمقارنتها بقطة منزلية تحول إلى جاكوار ثم إلى نمر قبل أن يعود إلى شكله الأصلي.
إن تتبع تطور النيوترينوات عبر هذه المسافات الطويلة بين إلينوي وداكوتا الجنوبية سيساعد العلماء على فهم هذه التذبذبات بشكل أفضل من خلال منحهم رؤية أكثر اكتمالاً من تجربة NOvA الحالية التي أجراها فيرميلاب والتي تمتد لمسافة 500 ميل بين إلينوي ومينيسوتا.
إن القيام بكل هذا على بعد كيلومتر واحد تحت الأرض يحمي الجزيئات الدقيقة والمتذبذبة من الأشعة الكونية النشطة التي تغمر سطح الأرض في كل ثانية ويمكن أن تتداخل مع البيانات.
حل أسرار الكون
يأمل العلماء في الإجابة على ثلاثة أسئلة رئيسية باستخدام DUNE: لماذا يتكون الكون من مادة وليس مادة مضادة، وماذا يحدث عندما ينهار نجم، وهل تتحلل البروتونات؟
وقال بيشاي: “مباشرة بعد الانفجار الكبير، تم إنشاء المادة والمادة المضادة بكميات متساوية تقريبًا”. لكن اليوم، على حد علم العلماء، يتكون الكون بالكامل تقريبًا من المادة.
“لماذا انتهى بنا الأمر إلى كون مادي، وليس كون المادة المضادة؟” هي اضافت.
تم تصميم شعاع DUNE لتكوين كل من النيوترينوات والنيوترينوات المضادة – نسخة المادة المضادة. إن فحص التذبذبات من كل نوع يمكن أن يساعد العلماء على فهم ما حدث لجميع المادة المضادة.
وقال بيشاي إن المشروع يتعلق أيضًا بفيزياء المستعرات الأعظم.
في عام 1987، شهد علماء الفلك انفجار سوبر نوفا لامع على مسافة لم نشهدها منذ حوالي 400 عام. ومع وجود أجهزة الكشف في ذلك الوقت، لم يتمكنوا إلا من اكتشاف حوالي 20 نيوترينو.
وقال بيشاي إن هناك احتمالًا بنسبة 40% بأن ينفجر نجم قريب آخر في العقد المقبل، ويأمل فيرميلاب أن يكون لديه واحد على الأقل من كواشفه في داكوتا الجنوبية جاهزًا للعمل في الوقت المناسب.
يمكن لكاشف بهذا الحجم أن يلتقط آلاف النيوترينوات ويقدم نظرة ثاقبة لتكوين الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية.
أخيرًا، لم يلاحظ العلماء بعد اضمحلال البروتون، لكن النظرية تتنبأ بحدوثه. البروتونات عبارة عن جسيمات صغيرة موجبة الشحنة تشكل جزءًا من نواة الذرة.
إن ملاحظة اضمحلال البروتون سيكون لها آثار على اعتقاد ألبرت أينشتاين بأن نظرية واحدة يمكن أن توحد جميع قوى الطبيعة.
إذا اضمحللت البروتونات، فسوف يستغرق الأمر حوالي 10 مليار تريليون تريليون سنة. وأوضح بيشاي أن كاشفات النيوترينو يمكنها البحث عن علامات مختلفة لاضمحلال البروتون. “قد تكون لدينا فرصة لرؤيتهم، إذا كانت هذه النظريات الموحدة الكبرى صحيحة.”
مشروع طموح
يوجد حاليًا العديد من مشاريع النيوترينو حول العالم، بما في ذلك مجمع أبحاث مسرع البروتون الياباني (J-PARC) والمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN).
ما يجعل DUNE فريدًا هو استخدامه للأرجون والمسافة الطويلة بين أجهزة الكشف القريبة والبعيدة.
واجه المشروع بعض النكسات من حيث الميزانية والجدول الزمني، العلمية الأمريكية تم الإبلاغ عنه في عام 2022. ومن المفترض أن يحتوي على أربعة كاشفات للأرجون، لكنه سيبدأ بجهازين.
وقال بشاي إن الكاشف الأول قد يكون جاهزًا للعمل بحلول نهاية عام 2028، وسيتبعه الكاشف الثاني في العام المقبل. وستكون هذه موجودة في مكانها في حالة حدوث انفجار سوبر نوفا، لكن جزء الشعاع لن يكون جاهزًا حتى عام 2031.
ومع ذلك، يعتقد بيشاي أن المشروع قد وصل بالفعل إلى أحد أعظم إنجازاته، وهو تعاون حوالي 1400 شخص من 36 دولة. قالت: “إنه علم عظيم”. “إنه أيضًا علم دولي عظيم.”
