مصر: إيهاب محمد زايد
هل لغز النيوترينو العظيم يشير إلى عدة جزيئات مفقودة؟
سنوات من قياسات النيوترينو المتضاربة قادت الفيزيائيين إلى اقتراح “قطاع مظلم” من الجسيمات غير المرئية – قطاع يمكنه في نفس الوقت تفسير المادة المظلمة ، والتوسع المحير للكون ، وألغاز أخرى.
رسم توضيحي لمتاهة ذات كرة كبيرة تمثل النيوترينو في المركز. يستكشف الأشخاص الذين يحملون مشاعل كهربائية المسارات.
يشعر العديد من علماء فيزياء النيوترينو بأنهم يتنقلون في متاهة ، غير متأكدين من الخيوط التي يجب اتباعها وأيها قد يؤدي بهم إلى الضلال.
في عام 1993 ، في أعماق الأرض في مختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو ، أطلقت بضع ومضات من الضوء داخل خزان بحجم حافلة من النفط قصة بوليسية لم تصل إلى نهايتها بعد.
كان كاشف النيوترينو اللامع السائل (LSND) يبحث عن دفعات من الإشعاع التي أحدثتها النيوترينوات ، وهي الأخف وزنا والأكثر مراوغة من بين جميع الجسيمات الأولية المعروفة. قال بيل لويس ، أحد قادة التجربة: “لدهشتنا كثيرًا ، هذا ما رأيناه”.
كانت المشكلة أنهم رأوا الكثير. افترض المنظرون أن النيوترينوات قد تتأرجح بين الأنواع أثناء تحليقها – وهي فرضية تشرح الملاحظات الفلكية المختلفة. شرعت LSND في اختبار هذه الفكرة من خلال توجيه حزمة من نيوترينوات الميون ، أحد الأنواع الثلاثة المعروفة ، نحو خزان الزيت ، وإحصاء عدد النيوترينوات الإلكترونية التي وصلت هناك. ومع ذلك ، اكتشف لويس وفريقه وصول عدد أكبر بكثير من النيوترينوات الإلكترونية في الخزان مما تنبأت به النظرية البسيطة لتذبذبات النيوترينو.
منذ ذلك الحين ، تم بناء عشرات تجارب النيوترينو ، كل منها أعظم من سابقتها. في الجبال وكهوف التعدين المهجورة والجليد تحت القطب الجنوبي ، أقام الفيزيائيون كاتدرائيات لهذه الجسيمات الزلقة المعروفة. ولكن أثناء فحص هذه التجارب للنيوترينوات من كل زاوية ، استمرت في إنتاج صور متضاربة لكيفية تصرف الجسيمات. قال لويس: “الحبكة تزداد كثافة”.
“إنها قصة محيرة للغاية. قال كارلوس أرغيليس ديلجادو ، عالم فيزياء النيوترينو في جامعة هارفارد ، إنني أسميها حديقة المسارات المتشعبة. في قصة خورخي لويس بورجيس القصيرة لهذا العنوان عام 1941 ، يتفرع الزمن إلى عدد لا حصر له من العقود الآجلة المحتملة. مع النيوترينوات ، دفعت النتائج المتناقضة المنظرين إلى مجموعة متنوعة من المسارات ، غير متأكدين من البيانات التي يجب الوثوق بها وأيها قد يؤدي بهم إلى الضلال. قالت Argüelles-Delgado: “مثل أي قصة بوليسية ، ترى أحيانًا أدلة وترمي بك في الاتجاه الخاطئ”.
رجل يركع على ركبتيه داخل خزان بحجم حافلة مبطنة بأجهزة كشف لامعة مستديرة بلون الكهرمان.
في عام 1993 ، كشف كاشف النيوترينو اللامع السائل في مختبر لوس ألاموس الوطني عن مكافأة محيرة لاكتشافات النيوترينو. يظهر ريك بولتون ، المهندس ، راكعًا بين الأنابيب المضاعفة الضوئية التي ستكتشف الضوء من تفاعلات النيوترينو داخل الخزان بمجرد ملئه بالزيت المعدني.
مختبر لوس ألاموس الوطني
كان أبسط تفسير لشذوذ LSND هو وجود نوع رابع جديد من النيوترينو ، يُدعى النيوترينو المعقم ، والذي يخلط جميع أنواع النيوترينو وفقًا لقواعد جديدة. ستسمح النيوترينوات المعقمة لنيوترينوات الميون بالتذبذب بسهولة أكبر في نيوترينوات الإلكترون على مسافة قصيرة من خزان الزيت.
ولكن مع مرور الوقت ، لم يتناسب النيوترينو المعقم مع نتائج التجارب الأخرى. قالت أرغويليس ديلجادو: “كانت لدينا نظريتنا البطل ، لكن المشكلة تكمن في أنها فشلت فشلاً ذريعًا في أماكن أخرى”. “كنا في أعماق الغابة ، وكنا بحاجة إلى الخروج.”
اضطر الفيزيائيون إلى إعادة النظر في خطواتهم ، وأعادوا التفكير فيما وراء مشوش التلميحات وأنصاف النتائج. في السنوات الأخيرة ، ابتكروا نظريات جديدة أكثر تعقيدًا من النيوترينو العقيم ، ولكن إذا كان هذا صحيحًا ، فإنها ستحدث ثورة في الفيزياء تمامًا – حل الانحرافات في بيانات تذبذب النيوترينو وألغاز الفيزياء الرئيسية الأخرى في نفس الوقت. على الأقل ، تفترض النماذج الجديدة وجود نيوترينوات إضافية ثقيلة يمكن أن تفسر المادة المظلمة ، والأشياء غير المرئية التي تحجب المجرات التي يبدو أنها أكثر وفرة بأربعة أضعاف من المادة العادية.
الآن ، أربعة تحليلات صدرت أمس عن طريق تجربة MicroBooNE في مختبر Fermi National Accelerator Laboratory بالقرب من شيكاغو ودراسة أخرى حديثة من كاشف IceCube في القطب الجنوبي تشير إلى أن نظريات النيوترينو الأكثر تعقيدًا قد تكون على المسار الصحيح – على الرغم من أن المستقبل لا يزال بعيدًا من الواضح.
قالت Argüelles-Delgado: “أشعر أن هناك شيئًا ما في الهواء”. “إنها بيئة متوترة للغاية تشير إلى الاكتشاف.”
علاج يائس
عندما افترض ولفجانج باولي وجود النيوترينو عام 1930 ليشرح أين توجد الطاقة كان يختفي خلال الاضمحلال الإشعاعي ، ووصفه بأنه “علاج يائس”. لم يكن لبنيته النظرية أي كتلة أو شحنة كهربائية ، مما جعله يشك في أن التجربة يمكن أن تكتشفها على الإطلاق. كتب في مذكراته في ذلك الوقت: “إنه شيء لا ينبغي لأي منظّر أن يفعله على الإطلاق”. لكن في عام 1956 ، في تجربة لا تختلف عن LSND ، كان هناك النيوترينو.
سرعان ما تحول انتصار إلى ارتباك عندما اكتشف الفيزيائيون نيوترينوات قادمة من الشمس ، وهي مصدر طبيعي للجسيمات ، ووجدوا أقل من نصف العدد الذي تنبأت به النماذج النظرية للتفاعلات النووية للنجوم. بحلول التسعينيات ، كان من الواضح أن النيوترينوات كانت تتصرف بشكل غريب. لم يقتصر الأمر على اختفاء النيوترينوات الشمسية في ظروف غامضة فحسب ، بل اختفت كذلك النيوترينوات التي تسقط على الأرض عندما تصطدم الأشعة الكونية بالغلاف الجوي العلوي.
كان أحد الحلول ، الذي اقترحه الفيزيائي الإيطالي برونو بونتيكورفو سابقًا ، هو أن النيوترينوات تغير شكلها. مثل العديد من الجسيمات الأولية ، فإنها تأتي في ثلاثة أنواع: الإلكترون ، والميون ، ونيوترينوات تاو. لذا ، بدلاً من سحب فعل التلاشي ، اقترح بونتيكورفو أن النيوترينوات قد تتحول بين هذه الأنواع أثناء سفرها. فبعض النيوترينوات الإلكترونية الناتجة عن الشمس ، على سبيل المثال ، يمكن أن تتحول إلى نيوترينوات الميون وبالتالي يبدو أنها تختفي. بمرور الوقت ، استوعب المنظرون وصفًا لكيفية تأرجح النيوترينوات بين الأنواع اعتمادًا على طاقتها ومسافة السفر التي تطابق البيانات القادمة من الشمس والسماء.
لكن فكرة تغيير شكل النيوترينوات كانت صعبة على العديد من الفيزيائيين. تعمل الرياضيات فقط إذا كان كل نوع من أنواع النيوترينو الثلاثة عبارة عن مزيج ميكانيكي كمي من ثلاث كتل مختلفة – وبعبارة أخرى ، فإن تغيير الشكل يعني أن النيوترينوات يجب أن يكون لها كتلة. لكن النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، مجموعة المعادلات التي تم اختبارها جيدًا والتي تصف الجسيمات والقوى الأولية المعروفة ، تعتبر بشكل قاطع أن النيوترينوات عديمة الكتلة.
الشمس والغلاف الجوي معقدان ، لذلك تم بناء LSND بمصدر نيوترينو مخصص للبحث عن دليل أكثر تحديدًا على تغيير الشكل. سرعان ما وجده الباحثون. قال لويس: “كنا نحصل على مرشح كل أسبوع أو نحو ذلك”. في عام 1995 ، نشرت صحيفة نيويورك تايمز قصة حول النيوترينوات المتغيرة الشكل في التجربة على صفحتها الأولى.
أشار منتقدو تجربة LSND إلى مصادر الخطأ في أجهزة الكشف والتداخل المحتمل من مصادر النيوترينو الطبيعية. حتى العلماء الذين أيدوا فكرة أن النيوترينوات تتذبذب ولا تثق كتلتها بأرقام LSND ، لأن معدل التذبذب المستنتج يتجاوز المعدل الذي تشير إليه النيوترينوات الشمسية والغلاف الجوي. اقترحت البيانات الشمسية والغلاف الجوي أن النيوترينوات تتأرجح بين أنواع النيوترينو الثلاثة المعروفة فقط. إضافة النيوترينو المعقم – الذي سمي بهذا الاسم لأنه لا يجب أن يشعر بالقوة التي تحبس الإلكترون والميون ونيوترينوات تاو في مداعبات مع الذرات ، مما يجعلها قابلة للاكتشاف – تناسب بيانات LSND بشكل أفضل.
دعمت سلسلة من تجارب تذبذب النيوترينو النهائية في أواخر التسعينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحالي ، تسمى SNO و Super-K و KamLAND ، بقوة نموذج التذبذب ثلاثي النيوترينو ، مما أدى إلى الحصول على جائزة نوبل لبعض الباحثين المشاركين. كان النيوترينو الرابع المفترض كامنًا في الظل.
المطاردون الشذوذ
غالبًا ما تظهر الحالات الشاذة في التجارب ، ثم تختفي عند إجراء مزيد من التحقيقات ، لذلك يتجاهلها العديد من الباحثين في البداية. لكن جانيت كونراد ، “مطاردة الشذوذ الفخورة” والأستاذة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، تزدهر من هذه السمات المميزة. “نحن أناس فوضويون. نحن لا نمانع في الفوضى. قالت مؤخرًا عبر Zoom.
عندما كانت كونراد تنهي الدكتوراه في عام 1993 ، عمل معظم علماء فيزياء الجسيمات على المصادمات ، حيث قاموا بضرب الجسيمات معًا على أمل استحضار جسيمات جديدة بين الحطام. كانت النظريات الجميلة والشاملة مثل التناظر الفائق ، الذي يتنبأ بمجموعة كاملة من جسيمات الصورة المرآة لجميع تلك الموجودة في النموذج القياسي ، رائجة ؛ لم تكن الخفايا الدقيقة لتذبذبات النيوترينو كذلك. ومع ذلك ، كان كونراد مفتونًا بنتيجة LSND وقرر متابعتها. “أريد أن تتحدث إلي الطبيعة ؛ قالت: “لا أريد أن أخبر الطبيعة ماذا أفعل”.
جانيت كونراد ، امرأة ذات شعر أحمر ويرتدي ياقة سوداء مدورة ، تقف مع جسم مستدير ولامع.
ظهرت جانيت كونراد ، عالمة الفيزياء الآن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، في عام 2002 وهي تحمل كاشفًا مثل تلك المستخدمة في تجربة MiniBooNE ، والتي ساعدت في بنائها وقيادتها.
فيرميلاب
في أواخر التسعينيات ، صعدت كونراد وزملاؤها ذوو العقلية الشاذة إلى كاشف LSND وسحبوا بعناية أكثر من 1000 من مستشعراته ذات اللون الكهرماني ، ومسحوا الزيت السميك وقاموا بتثبيتها في كاشف نيوترينو جديد – ثلاثة كرة طويلة تقع في Fermilab وأطلقوا عليها اسم MiniBooNE. قالت: “كان لدينا سجاد اليوغا حيث يمكنك الاستلقاء على السقالات والنظر إلى الأعلى”. “كان مثل كون من أقمار الكهرمان الصغيرة. أوه ، لقد كانت جميلة جدا. “
هذه النسخة المحسّنة من LSND جمعت البيانات من كان يختفي خلال الاضمحلال الإشعاعي ، ووصفه بأنه “علاج يائس”. لم يكن لبنيته النظرية أي كتلة أو شحنة كهربائية ، مما جعله يشك في أن التجربة يمكن أن تكتشفها على الإطلاق. كتب في مذكراته في ذلك الوقت: “إنه شيء لا ينبغي لأي منظّر أن يفعله على الإطلاق”. لكن في عام 1956 ، في تجربة لا تختلف عن LSND ، كان هناك النيوترينو.
سرعان ما تحول انتصار إلى ارتباك عندما اكتشف الفيزيائيون نيوترينوات قادمة من الشمس ، وهي مصدر طبيعي للجسيمات ، ووجدوا أقل من نصف العدد الذي تنبأت به النماذج النظرية للتفاعلات النووية للنجوم. بحلول التسعينيات ، كان من الواضح أن النيوترينوات كانت تتصرف بشكل غريب. لم يقتصر الأمر على اختفاء النيوترينوات الشمسية في ظروف غامضة فحسب ، بل اختفت كذلك النيوترينوات التي تسقط على الأرض عندما تصطدم الأشعة الكونية بالغلاف الجوي العلوي.
كان أحد الحلول ، الذي اقترحه الفيزيائي الإيطالي برونو بونتيكورفو سابقًا ، هو أن النيوترينوات تغير شكلها. مثل العديد من الجسيمات الأولية ، فإنها تأتي في ثلاثة أنواع: الإلكترون ، والميون ، ونيوترينوات تاو. لذا ، بدلاً من سحب فعل التلاشي ، اقترح بونتيكورفو أن النيوترينوات قد تتحول بين هذه الأنواع أثناء سفرها. فبعض النيوترينوات الإلكترونية الناتجة عن الشمس ، على سبيل المثال ، يمكن أن تتحول إلى نيوترينوات الميون وبالتالي يبدو أنها تختفي. بمرور الوقت ، استوعب المنظرون وصفًا لكيفية تأرجح النيوترينوات بين الأنواع اعتمادًا على طاقتها ومسافة السفر التي تطابق البيانات القادمة من الشمس والسماء.
لكن فكرة تغيير شكل النيوترينوات كانت صعبة على العديد من الفيزيائيين. تعمل الرياضيات فقط إذا كان كل نوع من أنواع النيوترينو الثلاثة عبارة عن مزيج ميكانيكي كمي من ثلاث كتل مختلفة – وبعبارة أخرى ، فإن تغيير الشكل يعني أن النيوترينوات يجب أن يكون لها كتلة. لكن النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، مجموعة المعادلات التي تم اختبارها جيدًا والتي تصف الجسيمات والقوى الأولية المعروفة ، تعتبر بشكل قاطع أن النيوترينوات عديمة الكتلة.
الشمس والغلاف الجوي معقدان ، لذلك تم بناء LSND بمصدر نيوترينو مخصص للبحث عن دليل أكثر تحديدًا على تغيير الشكل. سرعان ما وجده الباحثون. قال لويس: “كنا نحصل على مرشح كل أسبوع أو نحو ذلك”. في عام 1995 ، نشرت صحيفة نيويورك تايمز قصة حول النيوترينوات المتغيرة الشكل في التجربة على صفحتها الأولى.
أشار منتقدو تجربة LSND إلى مصادر الخطأ في أجهزة الكشف والتداخل المحتمل من مصادر النيوترينو الطبيعية. حتى العلماء الذين أيدوا فكرة أن النيوترينوات تتذبذب ولا تثق كتلتها بأرقام LSND ، لأن معدل التذبذب المستنتج يتجاوز المعدل الذي تشير إليه النيوترينوات الشمسية والغلاف الجوي. اقترحت البيانات الشمسية والغلاف الجوي أن النيوترينوات تتأرجح بين أنواع النيوترينو الثلاثة المعروفة فقط. إضافة النيوترينو المعقم – الذي سمي بهذا الاسم لأنه لا يجب أن يشعر بالقوة التي تحبس الإلكترون والميون ونيوترينوات تاو في مداعبات مع الذرات ، مما يجعلها قابلة للاكتشاف – تناسب بيانات LSND بشكل أفضل.
دعمت سلسلة من تجارب تذبذب النيوترينو النهائية في أواخر التسعينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحالي ، تسمى SNO و Super-K و KamLAND ، بقوة نموذج التذبذب ثلاثي النيوترينو ، مما أدى إلى الحصول على جائزة نوبل لبعض الباحثين المشاركين. كان النيوترينو الرابع المفترض كامنًا في الظل.
المطاردون الشذوذ
غالبًا ما تظهر الحالات الشاذة في التجارب ، ثم تختفي عند إجراء مزيد من التحقيقات ، لذلك يتجاهلها العديد من الباحثين في البداية. لكن جانيت كونراد ، “مطاردة الشذوذ الفخورة” والأستاذة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، تزدهر من هذه السمات المميزة. “نحن أناس فوضويون. نحن لا نمانع في الفوضى. قالت مؤخرًا عبر Zoom.
عندما كانت كونراد تنهي الدكتوراه في عام 1993 ، عمل معظم علماء فيزياء الجسيمات على المصادمات ، حيث قاموا بضرب الجسيمات معًا على أمل استحضار جسيمات جديدة بين الحطام. كانت النظريات الجميلة والشاملة مثل التناظر الفائق ، الذي يتنبأ بمجموعة كاملة من جسيمات الصورة المرآة لجميع تلك الموجودة في النموذج القياسي ، رائجة ؛ لم تكن الخفايا الدقيقة لتذبذبات النيوترينو كذلك. ومع ذلك ، كان كونراد مفتونًا بنتيجة LSND وقرر متابعتها. “أريد أن تتحدث إلي الطبيعة ؛ قالت: “لا أريد أن أخبر الطبيعة ماذا أفعل”.
جانيت كونراد ، امرأة ذات شعر أحمر ويرتدي ياقة سوداء مدورة ، تقف مع جسم مستدير ولامع.
ظهرت جانيت كونراد ، عالمة الفيزياء الآن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، في عام 2002 وهي تحمل كاشفًا مثل تلك المستخدمة في تجربة MiniBooNE ، والتي ساعدت في بنائها وقيادتها.
فيرميلاب
في أواخر التسعينيات ، صعدت كونراد وزملاؤها ذوو العقلية الشاذة إلى كاشف LSND وسحبوا بعناية أكثر من 1000 من مستشعراته ذات اللون الكهرماني ، ومسحوا الزيت السميك وقاموا بتثبيتها في كاشف نيوترينو جديد – ثلاثة كرة طويلة تقع في Fermilab وأطلقوا عليها اسم MiniBooNE. قالت: “كان لدينا سجاد اليوغا حيث يمكنك الاستلقاء على السقالات والنظر إلى الأعلى”. “كان مثل كون من أقمار الكهرمان الصغيرة. أوه ، لقد كانت جميلة جدا. “
هذه النسخة المحسّنة من LSND جمعت البيانات من من 2002 حتى 2019. بعد خمس سنوات من انطلاقها الطويل ، بدأ MiniBooNE في رؤية معدل تذبذب شاذ للنيوترينو مشابه ، مما يشير إلى أن نتيجة LSND لم تكن حظًا ، وأنه قد يوجد نيوترينو إضافي خفيف الوزن بعد كل شيء.
ومع ذلك ، بدأت تجارب أخرى بينما كان MiniBooNE قيد التنفيذ. استكشف كل منهم مسافات وطاقات سفر مختلفة للنيوترينو ليروا كيف أثر ذلك على تغير شكلهم. يبدو أن نتائجهم تؤكد نموذج النيوترينو الثلاثة ، وهو ما يتناقض ليس فقط مع LSND ، ولكن الآن أيضًا مع MiniBooNE.
موت النيوترينو المعقم
وصل مطاردو الشذوذ إلى مفترق طرق ، وكانت الإشارات تشير في اتجاهين متعاكسين. دعمت أدلة أكثر وجود ثلاثة نيوترينوات أكثر من أربعة. ثم جاءت ضربة أخرى للنيوترينوات المعقمة من تلسكوب بلانك الفضائي.
في عام 2013 ، التقط بلانك صورة مفصلة بشكل لا يصدق للكون كما ظهرت بعد فترة ليست طويلة من الانفجار العظيم من خلال الكشف عن إشعاع خافت من ذلك الوقت يسمى الخلفية الكونية الميكروية. سمحت صورة بلانك لهذا الضوء البدائي لعلماء الكون باختبار نظرياتهم عن الكون المبكر بتفاصيل جذرية.
في بدايات الكون ، كانت النيوترينوات نشطة للغاية ، وبالتالي أثرت بقوة على سرعة توسع الكون. من خلال استنتاج معدل التوسع من بيانات الخلفية الميكروية الكونية الخاصة بلانك ، يمكن للباحثين تقدير عدد أنواع النيوترينوات التي تملأ الكون الشاب. تشير البيانات إلى وجود ثلاثة أنواع. قال يواكيم كوب ، الفيزيائي النظري في CERN ، إن هذه الملاحظات الكونية وغيرها “استبعدت بشدة وجود نوع رابع من النيوترينو” – على الأقل ، استبعدت النظرية البسيطة ، خفيفة الوزن ، المعقمة التي اعتبرها المنظرون.
بحلول عام 2018 ، اتفق الجميع على أن اللعبة قد انتهت. في مؤتمر فيزياء النيوترينو في هايدلبرغ بألمانيا ، وقفت ميشيل مالتوني في قاعة كبيرة لتعلن موت النيوترينو المعقم. “قال:” إذا لم تكن تعلم أن الأمر قد انتهى ، يجب أن تعلم الآن أن الأمر قد انتهى “، تتذكر Argüelles-Delgado.
كان عرض Maltoni بمثابة دعوة للاستيقاظ لمنظري النيوترينو بأنهم بحاجة إلى أفكار جديدة. قال Argüelles-Delgado ، عائدًا إلى استعارة بورخيس: “لقد تم كسر الطريق للمضي قدمًا”. “فكيف نناور الآن؟”
بدأ هو وزملاؤه في إعادة النظر في الافتراضات التي تأسست عليها فكرة النيوترينو المعقم. “لدينا دائمًا أسلوب ماكينة الحلاقة أوكام في الفيزياء ، أليس كذلك؟ بدأنا بأبسط افتراض ، وهو جسيم واحد جديد لا يفعل شيئًا سوى هذا السلوك التذبذب “. “ربما كان هذا افتراضًا سخيفًا.”
القطاع المظلم
على مدى السنوات الثلاث الماضية ، فكر فيزيائيو النيوترينو بشكل متزايد في إمكانية وجود نيوترينوات إضافية متعددة ، والتي قد تتفاعل مع بعضها البعض عبر قواها السرية الخاصة. سيكون لهذا “القطاع المظلم” من الجسيمات غير المرئية علاقات متبادلة معقدة تشبه (لكنها مستقلة عن) تلك الخاصة بالإلكترونات والكواركات وجسيمات النموذج القياسي الأخرى. قال ماثيوس هوسترت ، عالم الفيزياء النظرية في معهد بيريميتر للفيزياء النظرية في واترلو بكندا: “من الممكن تمامًا أن يكون هذا القطاع المظلم غنيًا ومعقدًا”.
يمكن أن تؤدي إضافة قوى سرية إلى النماذج إلى تجنب العقبات التي قدمها تلسكوب بلانك عن طريق قمع عدد النيوترينوات التي كان من الممكن إنتاجها في الكون المبكر. والقطاع المظلم ، الذي يحتوي على العديد من الميزات ، يمكن أن يسد العديد من الثغرات في فهمنا في وقت واحد. منذ اكتشاف أن النيوترينوات تمتلك كتلة في تسعينيات القرن الماضي ، تساءل المنظرون عما إذا كانت النيوترينوات قادرة على تفسير الكمية الهائلة من المادة المظلمة التي يبدو أنها تبتلع المجرات. سرعان ما استنتجوا أن النيوترينوات الثلاثة المعروفة ليس لها أي مكان بالقرب من الكتلة اللازمة للقيام بذلك. ولكن في حالة وجود عائلة أكبر من النيوترينوات – بما في ذلك بعض الأنواع الثقيلة – فقد يحدث ذلك.
إن فكرة وجود قطاع مظلم غير مرئي ولكنه مثمر ليست جديدة ، ولكن عدد هذه النماذج قد انفجر. يجمع البحث القضايا المتباينة للمادة المظلمة وشذوذ النيوترينو تحت مظلة واحدة. قالت أرغيليس ديلجادو: “كان هناك تقارب”.
يمكن أن يقدم قطاع مظلم غني ومعقد حلاً لماذا يبدو أن الكون الحالي يتمدد بشكل أسرع من المتوقع – وهي ظاهرة تُعرف باسم توتر هابل – ولماذا لا يبدو أن المجرات تتجمع بالقدر الذي ينبغي أن تتجمع فيه إذا كانت المادة المظلمة هو جسيم واحد خامل. قالت كريستينا كريش ، عالمة الفيزياء الفلكية بجامعة برينستون: “إن تغيير فيزياء المادة المظلمة هنا سيكون له تأثير حقيقي على هذا النوع من التوتر الكوني”.
ابتكر عالم فيزياء النيوترينو في جامعة هارفارد ، كارلوس أرغيليس ديلجادو ، نظريات جديدة لمحاولة فهم خليط متاهة قياسات النيوترينو.
فوتر فان دي بونتسييل
النماذج لها صدى مع الأفكار القديمة. على سبيل المثال ، تم افتراض وجود نيوترينوات ثقيلة جدًا لأول مرة منذ عقود لشرح اللغزكتل صغيرة من النيوترينوات الثلاثة المعروفة. (في “آلية التأرجح” ، يمكن أن يكون لكتل النيوترينوات خفيفة الوزن والثقيلة علاقة عكسية.) وقد تم اقتراح اضمحلال النيوترينوات الثقيلة بعد لحظات من الانفجار العظيم على أنه السبب المحتمل لوجود المزيد من المادة من المادة المضادة في الكون. قال كوب: “يعمل الكثير من الناس ، بمن فيهم أنا ، على استكشاف مثل هذه الروابط”.
في وقت سابق من هذا العام ، اقترح Argüelles-Delgado و Conrad والعديد من المتعاونين نموذج قطاع مظلم ، سيتم نشره قريبًا في Physical Review D ، والذي يتضمن ثلاثة نيوترينوات ثقيلة من كتل مختلفة. يفسر نموذجهم بيانات LSND و MiniBooNE من خلال مزيج من النيوترينو الثقيل المتحلل وخفيف الوزن المتأرجح ؛ كما أنه يترك مجالًا لشرح أصل كتلة النيوترينو ، وعدم تناسق المادة والمادة المضادة في الكون من خلال آلية الأرجوحة ، والمادة المظلمة.
ابتكر مطاردو الشذوذ النموذج الجديد من خلال التفكير في عيب في تجربة MiniBooNE: لا يمكنه التمييز بين الإشارات التي أنشأتها نيوترينوات الإلكترون وتلك الناتجة عن تحلل جسيم معين. فتح هذا إمكانية أنه بالإضافة إلى النيوترينوات خفيفة الوزن التي تتأرجح بين الأنواع ، فقد تتحلل النيوترينوات الثقيلة داخل الكاشف ، وهو ما يفسر وفرة الإشارات.
تتناسب النتائج التجريبية الجديدة تمامًا مع هذا السرد. تجربة MicroBooNE من Fermilab ، وهي متابعة لـ MiniBooNE التي أعيد تكوينها لتصحيح الخلل ، ستبلغ قريبًا في رسائل المراجعة الفيزيائية أن النيوترينوات المعقمة وحدها لا يمكن أن تفسر شذوذ MiniBooNE. ومع ذلك ، تتوافق النتائج مع احتمال أن يكون نصف أحداث MiniBooNE فقط بسبب تذبذبات النيوترينو. ذكرت MicroBooNE مؤخرًا أن اضمحلال جسيمات النموذج القياسي المألوف يكاد يكون من المؤكد أنه لا يمكن أن يفسر بقية الأحداث. سيتم تحديد احتمال تحلل الجسيمات الثقيلة من القطاع المظلم داخل MiniBooNE العام المقبل في الإصدار القادم من MicroBooNE.
يقوم الفيزيائيون أيضًا بإعادة توجيه المسارات القديمة ، والتحقق من نماذج القطاعات المظلمة الخاصة بهم مقابل البيانات الموجودة. على سبيل المثال ، نشر الفريق الذي يقف وراء تجربة IceCube ، وهي مصفوفة من 5000 كاشف مدمجة في عمق الجليد تحت القطب الجنوبي ، منذ عام 2016 سلسلة من الادعاءات ، كل منها أكثر ثقة من سابقتها ، بأنه لا توجد أي علامة على وجود عقيم. النيوترينوات التي تمر عبر الجليد. لكن تحليلًا نُشر في وقت سابق من هذا الشهر وجد أنه إذا كانت النيوترينوات العقيمة يمكن أن تتحلل إلى جسيمات أخرى غير مرئية ، فإن بيانات IceCube تفضل وجودها بالفعل. لم يتم نشر التحليل الكامل للفريق بعد ، ويؤكد الباحثون على الحاجة إلى هذا التقييم قبل أن يتمكنوا من تأكيد ذلك.
يكتشف كاشف نيوترينو IceCube نيوترينوات نشطة تتنقل عبر الجليد أسفل القطب الجنوبي. يستضيف المختبر الموجود فوق الأرض أجهزة الكمبيوتر التي تجمع البيانات الخام.
أخيرًا ، فإن التحليلات التي تأخذ في الاعتبار جميع تجارب تذبذب النيوترينو معًا تجد أيضًا دعمًا لتحلل النيوترينوات المعقمة.
تتطلب المزاعم الجريئة حول وجود كتل من الجسيمات غير المرئية أدلة جريئة ، ولم يقتنع الجميع بذلك. قال جوران سينيانوفيتش من جامعة لودفيج ماكسيميليان في ميونيخ ، أحد مبتكري نموذج متأرجحة لكتلة النيوترينو: “لقد كنت أراهن على كل الانحرافات”. بدلاً من فرض المزيد والمزيد من الجسيمات لشرح المفاجآت التجريبية ، قال سينيانوفيتش إنه يجب أن نسترشد بالنظرية الراسخة “أولاً وقبل كل شيء” ، وأن نتخذ فقط أصغر الخطوات التي تتجاوز النموذج القياسي الناجح للغاية.
لكن في حديقة المسارات المتشعبة ، غالبًا ما يتبين أن افتراضات التقليلية والبساطة خاطئة. يتنبأ النموذج القياسي بأن الإلكترون ونيوترينوات الميون والتاو عديمة الكتلة – إلا أنها ليست كذلك. اعتقد المنظرون ذات مرة أنه إذا كانت هذه النيوترينوات تمتلك كتلة ، فيجب أن يكون لديها ما يكفي لتفسير المادة المظلمة – إلا أنها ليست كذلك. ربما تكون هناك حاجة إلى امتداد أكثر تفصيلاً للنموذج القياسي. يؤكد فيزيائيون مثل كونراد على فوائد مطاردة الحالات الشاذة بحثًا عن أدلة.
خارج المتاهة
التحدي الآن هو كيفية الوصول إلى القطاع المظلم الافتراضي بالنظر إلى أنه ، حسنًا ، مظلم. نصح باولي بأن اختراع جسيمات غير قابلة للاكتشاف هو أمر لا ينبغي لأي منظّر أن يفعله. لحسن الحظ ، قد يتمكن الفيزيائيون من سماع همسات العالم غير المرئي من خلال النيوترينوات الثلاثة المألوفة. قال نيل وينر ، عالم فيزياء الجسيمات بجامعة نيويورك: “إن النيوترينو بحد ذاته جسيم مظلم”. “لديه القدرة على التفاعل والاختلاط مع الجسيمات المظلمة الأخرى ، وهو ما لا يستطيع أي من الجسيمات الأخرى في النموذج القياسي القيام به.”
يمكن لتجارب النيوترينو الجديدة والقادمة أن تفتح بوابة للقطاع المظلم. بعد MicroBooNE ، سيتم تشغيل تجارب Fermilab’s SBND و ICARUS قريبًا والتحقق من اهتزازات النيوترينو على مسافات وطاقات متعددة ، توضيح النمط الكامل للتذبذبات. وفي الوقت نفسه ، ستكون تجربة DUNE في Fermilab حساسة لجزيئات القطاع المظلمة الأثقل. قال كونراد إن المراقبة الدقيقة للنيوترينوات المنبعثة من مصادر مشعة ، مثل الليثيوم 8 ، في تجارب “الاضمحلال في حالة الراحة” ستوفر رؤية بديلة للمزيج الحالي من النتائج.
تقدم IceCube أيضًا وجهة نظر غير عادية. هذه التجربة قادرة على اكتشاف النيوترينوات شديدة النشاط التي تنتج عندما تصطدم الأشعة الكونية بالغلاف الجوي للأرض. يمكن أن تتشتت هذه النيوترينوات ضد الجسيمات داخل IceCube وتتحول إلى الجزيئات الغريبة والثقيلة التي يشتبه في أنها تتحلل داخل MiniBooNE. قال هوسترت إذا رأى IceCube هذا التشتت متبوعًا بانحلال النيوترينو الثقيل على بعد مسافة ما ، فإن توقيع “الانفجار المزدوج” سيكون دليلًا قويًا على وجود جسيم جديد.
قال وينر إن هذه الاحتمالات تجعل القطاع المظلم “ليس مجرد قصة قبل النوم”. ومع ذلك ، حتى في حالة وجود القطاع المظلم وعملت النيوترينوات المألوفة كوسطاء ، فليس هناك ما يضمن أن ارتباطها قوي بما يكفي للكشف عما هو مخفي. قال جوش سبيتز من جامعة ميتشيغان: “من المحتمل أن النيوترينوات الثقيلة قد يتعذر الوصول إليها تمامًا لأي تجربة معقولة”.
ويظل من المعقول أيضًا أن يكون لكل شذوذ نيوترينو تم اقتصاصه ، بدءًا من LSND ، تفسيره الدنيوي. قال كونراد: “ربما يكون كل منهم مخطئًا ومن المؤسف للغاية أنهم جميعًا يبدون وكأن لديهم علاقة ببعضهم البعض”. “من شأنه أن تكون الطبيعة قاسية للغاية.”
من جانبه ، يشعر Argüelles-Delgado بالتفاؤل بشأن الخروج من المتاهة في النهاية. قال “العلم يسير على مراحل ، ثم فجأة ينفجر شيء ما”. “أنا أجمع القرائن وأستفسر. بعض المعلومات أكثر موثوقية من غيرها ؛ عليك أن تحكم بنفسك “.
