في كل ثانية من كل يوم ، يتم قصفك بتريليونات تريليونات من الجسيمات دون الذرية ، تنهمر من أعماق الفضاء. إنهم ينفجرون بك بقوة إعصار كوني ، ينفجرون بسرعة الضوء تقريبًا. إنهم يأتون من جميع أنحاء السماء ، في جميع أوقات النهار والليل. إنها تخترق المجال المغناطيسي للأرض وجونا الوقائي مثل الكثير من الزبدة.
ومع ذلك ، فإن الشعر الموجود أعلى رأسك ليس مكشكشًا.
ماذا يحدث هنا؟
واحد محايد قليلا
تسمى هذه الرصاصات الصغيرة بالنيوترينو ، وهو مصطلح ابتكره الفيزيائي اللامع إنريكو فيرمي عام 1934. إن الكلمة إيطالي غامضة "للحياد الصغير" ، وافترض وجودها لتفسير رد فعل نووي غريب للغاية.
في بعض الأحيان تشعر العناصر قليلاً ... غير مستقرة. وإذا تركوا بمفردهم لفترة طويلة ، فإنهم ينهارون ويحولون أنفسهم إلى شيء آخر ، شيء أخف قليلاً على الجدول الدوري. بالإضافة إلى ذلك ، سوف يخرج إلكترون صغير. ولكن في عشرينيات القرن العشرين ، وجدت الملاحظات الدقيقة والمفصلة لتلك الانحطاطات تناقضات صغيرة وضيقة. كانت الطاقة الإجمالية في بداية العملية أكبر قليلاً من الطاقة الخارجة. لم تضيف الرياضيات. غريب.
لذا ، قام بعض الفيزيائيين بتلفيق جسيم جديد تمامًا من القماش الكامل. شيء لحمل الطاقة المفقودة. شيء صغير ، شيء خفيف ، شيء بدون تهمة. شيء يمكن أن ينزلق من خلال أجهزة الكشف الخاصة بهم دون أن يلاحظها أحد.
قليلا محايد. نيوترينو.
استغرق الأمر بضعة عقود أخرى لتأكيد وجودها - هذه هي مدى زلقها وذكائها وخداعها. ولكن في عام 1956 ، انضمت النيوترينوات إلى الأسرة المتزايدة من الجسيمات المعروفة والمقيسة والمؤكدة.
ثم أصبحت الأمور غريبة.
النكهة المفضلة
بدأت المشكلة في التلاشي مع اكتشاف الميون ، الذي حدث مصادفة في نفس الوقت الذي بدأت فيه فكرة النيوترينو في كسب الأرض: ثلاثينيات القرن العشرين. الميون يشبه تمامًا الإلكترون. نفس الشحنة. نفس الدوران. لكن الأمر مختلف بطريقة واحدة حاسمة: فهو أثقل ، وأكثر ضخامة بأكثر من 200 مرة من شقيقه ، الإلكترون.
يشارك الميونات في أنواع ردود أفعاله الخاصة ، ولكن لا يميل إلى أن يدوم طويلاً. بسبب حجمها الكبير المثير للإعجاب ، فهي غير مستقرة للغاية وتتحلل بسرعة في زخات من القطع الصغيرة ("بسرعة" هنا تعني ضمن ميكروثانية أو اثنتين).
كل هذا جيد وجيد ، فلماذا تظهر الميونات في قصة النيوترينو؟
لاحظ الفيزيائيون أن تفاعلات الاضمحلال التي تشير إلى وجود النيوترينو كان لها دائمًا إلكترونًا ، ولم يكن هناك ميون. في تفاعلات أخرى ، تنبثق الميونات ، وليس الإلكترونات. لشرح هذه النتائج ، استنتجوا أن النيوترينوات تتطابق دائمًا مع الإلكترونات في تفاعلات الاضمحلال هذه (وليس أي نوع آخر من النيوترينو) ، في حين أن الإلكترون ، يجب أن يقترن الميون بنوع من النيوترينو غير المكتشف بعد ... بعد كل شيء ، الإلكترون لن يتمكن النيوترينو غير الملائم من تفسير الملاحظات من أحداث الميون.
وهكذا استمر الصيد. و على. و على. لم يكن حتى عام 1962 هو الذي حصل فيه الفيزيائيون على قفل للنوع الثاني من النيوترينو. كان يطلق عليه في الأصل "neutretto" ، ولكن الرؤوس الأكثر عقلانية سادت مخطط تسميته بـ muon-neutrino ، لأنه كان دائمًا يقترن نفسه في ردود الفعل مع الميون.
طريق تاو
حسنًا ، تم تأكيد اثنين من النيوترينوات. هل تملك الطبيعة المزيد في المخزن لنا؟ في عام 1975 ، قام باحثون في مركز ستانفورد لسرعات الخطية بالتنقل بشجاعة عبر جبال من البيانات الرتيبة للكشف عن وجود أخ أكبر أثقل للإلكترون الرشيق والميون الضخم: تاو الضخم ، الذي يصل إلى كتلة هائلة تبلغ 3500 مرة من كتلة الإلكترون . هذا جسيم كبير!
لذا أصبح السؤال على الفور: إذا كانت هناك عائلة مكونة من ثلاثة جسيمات ، الإلكترون والميون والتاو ... فهل يمكن أن يكون هناك نيوترينو ثالث ليقترن بهذا المخلوق الجديد؟
ربما وربما لا. ربما هناك نوعان فقط من النيوترينوات. ربما هناك أربعة. ربما 17. لم تلبي الطبيعة توقعاتنا بالضبط من قبل ، لذلك لا يوجد سبب للبدء الآن.
تخطي الكثير من التفاصيل المروعة ، على مدى عقود ، أقنع الفيزيائيون أنفسهم باستخدام مجموعة متنوعة من التجارب والملاحظات التي يجب أن توجد لنيوترينو ثالث. ولكن لم تكن حتى نهاية الألفية ، في عام 2000 ، تجربة مصممة خصيصًا في Fermilab (تسمى تجربة DONUT بشكل فكاهي ، للمراقبة المباشرة لـ NU Tau ، ولا ، أنا لا أختلق) أخيرًا ما يكفي من المشاهدات المؤكدة للمطالبة بالكشف عن حق.
مطاردة الأشباح
لذا ، لماذا نهتم كثيراً بالنيوترينوات؟ لماذا كنا نلاحقهم لأكثر من 70 عامًا ، من قبل الحرب العالمية الثانية إلى العصر الحديث؟ لماذا فتنت أجيال من العلماء بهذه الأجيال الصغيرة المحايدة؟
والسبب هو أن النيوترينوات تستمر في العيش خارج توقعاتنا. لفترة طويلة ، لم نكن متأكدين من وجودها. لفترة طويلة ، كنا مقتنعين بأنهم بلا كتلة تمامًا ، حتى اكتشفت التجارب بشكل مزعج أنه يجب أن يكون لديهم كتلة. بالضبط "كم" لا تزال مشكلة حديثة. وللنيوترينوات هذه العادة المزعجة المتمثلة في تغيير الشخصية أثناء سفرهم. هذا صحيح ، بينما يسافر النيوترينو في الرحلة ، يمكنه تبديل الأقنعة بين النكهات الثلاثة.
قد يكون هناك أيضًا نيوترينو إضافي لا يشارك في أي تفاعلات معتادة - شيء يعرف باسم النيوترينو المعقم ، الذي يبحث عنه الفيزيائيون بجوع.
بعبارة أخرى ، تتحدى النيوترينوات باستمرار كل ما نعرفه عن الفيزياء. وإذا كان هناك شيء واحد نحتاجه ، في الماضي والمستقبل ، فهو تحد جيد.
بول م. سوتر فيزيائي فلكي في جامعة ولاية أوهايومضيف اسأل رائد فضاء و راديو الفضاء، ومؤلف كتاب مكانك في الكون.
