اكتشف العلماء أخيرًا النيوترينوات في مصادم الجسيمات: ScienceAlert

أخيرًا ، أصبح الشبح بالفعل في الآلة: لأول مرة ، ابتكر العلماء نيوترينوات في مصادم الجسيمات.

هذه الجسيمات دون الذرية الوفيرة والغامضة يتم إزالتها تمامًا من بقية المادة لدرجة أنها تنزلق من خلالها مثل الطيف ، مما يجعلها تُعرف باسم “جسيمات الأشباح”.

يقول الباحثون إن هذا العمل يمثل أول ملاحظة مباشرة لنيوترينوات المصادم وسيساعدنا على فهم كيفية تشكل هذه الجسيمات ، وما هي خصائصها ، ودورها في تطور الكون.

النتائج التي تحققت باستخدام كاشف FASERnu في مصادم الهادرون الكبير ، تم عرضها في مؤتمر Rencontres de Moriond 57th حول التفاعلات الكهروضعيفة والنظريات الموحدة في إيطاليا.

“لقد اكتشفنا النيوترينوات من مصدر جديد تمامًا – مصادمات الجسيمات – حيث لديك حزمتان من الجسيمات تتصادمان معًا بطاقة عالية للغاية ،” يقول عالم فيزياء الجسيمات جوناثان فينج من جامعة كاليفورنيا ، إيرفين.

النيوترينوات هي من بين الجسيمات دون الذرية الأكثر وفرة في الكون ، وتأتي في المرتبة الثانية بعد الفوتونات. لكن ليس لديهم شحنة كهربائية ، وكتلتهم تقترب من الصفر ، وبالكاد يتفاعلون مع الجسيمات الأخرى التي يواجهونها. تتدفق مئات المليارات من النيوترينوات عبر جسمك الآن.

يتم إنتاج النيوترينوات في ظروف حيوية ، مثل الاندماج النووي الذي يحدث داخل النجوم ، أو انفجارات السوبرنوفا. وبينما قد لا نلاحظها على أساس يومي ، يعتقد الفيزيائيون أن كتلتها – مهما كانت طفيفة – ربما تؤثر على جاذبية الكون (على الرغم من أن النيوترينوات كانت إلى حد كبير مستبعد كمادة مظلمة).

على الرغم من أن تفاعلهم مع المادة ضئيل ، إلا أنه ليس معدومًا تمامًا ؛ بين الحين والآخر ، يصطدم نيوترينو كوني بجسيم آخر ، مما ينتج عنه اندفاع خافت جدًا من الضوء.

يمكن لأجهزة الكشف الموجودة تحت الأرض ، المعزولة عن مصادر الإشعاع الأخرى ، اكتشاف هذه الانفجارات. مكعب ثلج في القارة القطبية الجنوبية ، سوبر كاميوكاندي في اليابان و ميني بون يوجد في Fermilab في إلينوي ثلاثة من هذه الكواشف.

ومع ذلك ، فقد سعى علماء الفيزياء منذ فترة طويلة إلى إنتاج النيوترينوات في مصادمات الجسيمات لأن الطاقات العالية المستخدمة لم يتم دراستها جيدًا مثل النيوترينوات منخفضة الطاقة.

يقول عالم فيزياء الجسيمات جيمي بويد من CERN: “يمكنهم إخبارنا عن الفضاء السحيق بطرق لا يمكننا أن نتعلمها بطريقة أخرى”. “هذه النيوترينوات عالية الطاقة في LHC مهمة لفهم الملاحظات المثيرة حقًا في الفيزياء الفلكية للجسيمات.”

FASERnu هو ملف كاشف المستحلب تتكون من ألواح تنجستن بسمك ملليمتر متناوبة مع طبقات من طبقة مستحلب. تم اختيار التنجستن بسبب كثافته العالية ، مما يزيد من احتمال تفاعل النيوترينو ؛ يتكون الكاشف من 730 فيلم مستحلب ويبلغ إجمالي كتلة التنجستن حوالي 1 طن.

أثناء تجارب الجسيمات في LHC ، يمكن للنيوترينوات أن تتصادم مع نوى صفائح التنغستن ، منتجة جسيمات تترك آثارًا في طبقات المستحلب ، تمامًا مثل الطريقة التي يصنع بها الإشعاع المؤين مسارات في غرفة السحاب.

تحتاج هذه اللوحات إلى التطوير ، مثل أفلام التصوير الفوتوغرافي ، قبل أن يتمكن الفيزيائيون من تحليل مسارات الجسيمات لمعرفة ما أنتجها.

تم تحديد ستة نيوترينو مرشحة ونشرها مرة أخرى في عام 2021. الآن ، أكد الباحثون اكتشافهم ، باستخدام بيانات من الجولة الثالثة من المصادم LHC الذي تمت ترقيته والذي بدأ العام الماضي ، بمستوى أهمية يبلغ 16 سيجما.

وهذا يعني أن احتمالية إنتاج الإشارات بالصدفة العشوائية منخفضة للغاية بحيث لا تكاد تكون معدومة ؛ مستوى أهمية 5 سيجما كافٍ للتأهل كاكتشاف في فيزياء الجسيمات.

لا يزال فريق FASER يعمل بجد لتحليل البيانات التي تم جمعها بواسطة الكاشف ، ويبدو من المحتمل أن المزيد من عمليات الكشف عن النيوترينو سوف تترتب على ذلك. من المتوقع أن يستمر التشغيل الثالث للمصادم LHC حتى عام 2026، وجمع البيانات وتحليلها مستمر.

في عام 2021 ، توقع الفيزيائي ديفيد كاسبر من جامعة كاليفورنيا في إيرفين أن السباق سينتج حوالي 10000 تفاعل نيوترينو ، مما يعني أننا بالكاد خدشنا سطح ما تقدمه FASERnu.

“النيوترينوات هي الجسيمات الوحيدة المعروفة التي لا تستطيع التجارب الأكبر بكثير في مصادم الهادرونات الكبير اكتشافها بشكل مباشر ،” هو يقول، “لذا فإن الملاحظة الناجحة لـ FASER تعني أن الإمكانات الفيزيائية الكاملة للمصادم يتم استغلالها أخيرًا.”

كانت نتائج الفريق قدمت في المؤتمر 57th Rencontres de Moriond التفاعلات الكهروضعيفة والنظريات الموحدة.