على عمق ميل تحت تلال بلاك هيلز، يبني العلماء كاشفات عملاقة لتحليل جسيمات النيوترينو – وربما إيجاد إجابة عن الوجود
لمدة تزيد على قرن من الزمان، كانت بلدة التعدين ليد، في تلال بلاك هيلز بولاية داكوتا الجنوبية، تجذب العمال ذوي الشغف بالذهب. والآن، يجذب تجربة رائدة تُبنى في المنجم القديم العلماء الباحثين عن ثروات أكثر إثارة للاهتمام: إجابات لأعمق ألغاز الكون.
من المقرر أن يبدأ يوم الاثنين إنشاء تجربة النيوترينو تحت الأرض العميقة (دون) في منجم هومستيك السابق. سيبدأ المهندسون في تجميع أربعة كواشف عملاقة داخل كهوف حُفرت بالتفجير في الصخور على عمق ميل تحت الأرض.
بمجرد تشغيلها، ستُصدر الكواشف شرارات ووميضاً بهدوء بينما تنطلق جسيمات شبَحية تُسمى النيوترينوات عبرها. سيصل بعضها من الشمس والمستعرات العظمى البعيدة، بينما سيصل بعضها الآخر في حزمة كثيفة تُرسَل عبر ٨٠٠ ميل (١٣٠٠ كيلومتر) من الصخور من مختبر حكومي قرب شيكاغو، إلينوي.
إن رصد النيترينو قد يكشف عن علم جديد بالكامل ويسلط الضوء على مشاهد كونية، مثل موت النجوم وولادة الثقوب السوداء. ويأمل العلماء بشكل خاص في حل واحد من أكثر الألغاز المستعصية في الطبيعة: لماذا كل ما حولنا مصنوع من المادة وليس من "توأمها الشرير"، المادة المضادة. وبعبارة أخرى، لماذا نحن، ولماذا أي شيء، موجود هنا على الإطلاق.
قالت الدكتورة كيت شو، وهي عالمة فيزياء جسيمات تجريبية تعمل على مشروع Dune من جامعة ساسكس: "إنه وقت مثير للغاية للعمل على هذا. النيوترينوات لا تزال غير مفهومة ويمكنها أن تفتح بابًا إلى فيزياء جديدة."
النترينوات هي أكثر جسيمات المادة وفرة في الكون، ولا يفوقها عددًا سوى الفوتونات، وهي جسيمات الضوء عديمة الكتلة التي تضيء الكون. وتُنتَج في التفاعلات النووية الطبيعية، مثل تلك التي تمد الشمس بالطاقة، وفي الاضمحلال الإشعاعي وفي مسرّعات الجسيمات.
حتى بمعايير الفيزيائيين، تُعدّ النيوترينوات أجسامًا غريبة. فこれらのالجسيماتعديمةالشحنةبالكادتتفاعلمعالمادةالأخرى:حواليترليونمنهايمرعبرجسمكدونأنيُلاحَظذلككلثانية.تأتيالنيوترينواتبثلاثةأنواع،جميعهاكتلهاضئيلةللغايةلكنمختلفة.وغريبًا،تتحولمننوعإلىآخرفيعمليةتُسمىالتذبذبأثناءانتقالها.وقالشاو:"إنهسلوكغريبجدًا.إنهكمثلأنأرميلكتفاحةفتتحولإلىموزة."
للرصاص تاريخ مع هذه الجسيمات الغريبة. في ستينيات القرن العشرين، تبع الفيزيائي راي ديفيس عمال المناجم إلى أسفل البئر وبنى كاشفًا من خزان سعته ١٠٠,٠٠٠ غالون مملوء بسائل التنظيف الجاف. وبفضل تدريعه على هذا العمق السحيق تحت الأرض، أصبح الكاشف أول من سجّل النيوترينوات القادمة من الشمس وهي تصطدم بذرات الكلور في السائل وتحوّلها إلى أرجون.
أُغلق المنجم في عام ٢٠٠١ وتحوّل، بفضل بُعد نظر استباقي، إلى مختبر جوفي مخصص، هو منشأة سانفورد للأبحاث تحت الأرض (Surf). وهو يؤوي بالفعل تجربة Lux-Zeplin (LZ) التي أبلغت الشهر الماضي عن أول كشف محتمل للمادة المظلمة.
قال روبن لوسيرو، مدير مدينة ليد، الذي عاشت عائلته محليًا لأجيال: "انتقلنا من التعدين في الأرض إلى مساعدة العلماء على استكشاف الكون. نحن فخورون ومحظوظون للغاية بأن مشروع ديون يُقام هنا، وكذلك سيرف، الذي يضم تجارب أخرى مثل إل زد. إن وجود علم من الطراز العالمي يجلب فرصًا جديدة وأشخاصًا جددًا وإمكانات جديدة لأعمالنا المحلية وخاصة لشبابنا".
على عكس جهاز ديفيس، فإن تجربة ديون ضخمة. مصنوعة من أكثر من ٤٠٠٠ طن من الفولاذ، وستبلغ ارتفاع الكاشفات ما يصل إلى خمسة طوابق وستحتوي على ما مجموعه ٧٠,٠٠٠ طن من الأرجون السائل الذي يجب تبريده إلى -٢٠٠ درجة مئوية. يجب أن يستغرق تجميع الكاشفات ما يقرب من ثلاث سنوات. وملؤها بالأرجون السائل، سنة أخرى.
قال البروفيسور ديفيد نيوبولد، من مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا في المملكة المتحدة والمتحدث باسم تجربة ديون: «هذه عملية هندسية ثقيلة»، وشراكة مع القوى العاملة المحلية الماهرة. «إنها أشبه ببناء سفينة تحت الأرض». المملكة المتحدة هي أكبر شريك دولي في التجربة التي تقودها الولايات المتحدة، وهي تصنع مكونات أساسية للكاشفات، وحوسبة بالغة الأهمية لإعادة بناء الأحداث في الكاشفات، والهدف الجرافيتي اللازم لتوليد النيوترينوات في فيميلاب، وهي منشأة لفيزياء الجسيمات في إلينوي.
بمجرد تشغيله، سيدرس «ديون» حزمة مكثفة من النيوترينوات تُرسل من «فيرميلاب» عبر ٨٠٠ ميل من قشرة الأرض ووشاحها. ستمر معظم النيوترينوات مباشرةً، لكن بين الحين والآخر سيصطدم أحدها بذرة أرغون، فيُحدث وميضًا من الضوء ونبضة من الشحنة الكهربائية. وسيكشف تحليل هذه الظواهر تفاصيل دقيقة عن هذه الجسيمات الغامضة.
يحيط سؤال كبير بكتل النيوترينوات المختلفة. أيها الأخف وأيها الأثقل؟ قد يكشف الجواب عن قوى أساسية جديدة في الطبيعة. وفي محاولة للإجابة عن سؤال المادة مقابل المادة المضادة، ستبحث ديون عن فروق دقيقة بين النيوترينوات وتوائمها من المادة المضادة، أي النيوترينوات المضادة.
إلى جانب حزم الجسيمات المرسلة من فيرميلاب، ستدرس تجربة DUNE أيضًا النيوترينوات القادمة من الفضاء، حاملةً معها معلومات جديدة عن انفجارات النجوم وتكوّن الثقوب السوداء.
في وقت سابق من هذا الشهر، كرّمت جائزة نوبل للفيزياء الباحث البلجيكي فرانسيس هالزن، الذي استخدم كيلومترًا مكعبًا من القارة القطبية الجنوبية للكشف عن النيوترينوات عالية الطاقة من الفضاء السحيق. لكن الكشف ليس نهاية المطاف. وقال نيوبولد: "سيكون هذا حقًا عصرًا ذهبيًا. سيأتي الكثير من ذلك".
التعليقات · ٠