نيوترينوس صيد الجليد

المحظوظون الجاهلون في قاع الأرض

في أحد الأيام في فبراير 2000 ، بعد حفر طويل ، جلسنا أنا وبروس كوتشي على الرمال في فوهة بركان على قمة كليمنجارو على ارتفاع 5600 متر. جلسنا مع ظهورنا على حقائب الظهر وشاهدنا غروب الشمس ، بينما انغمس كوشي في ذكريات حياته المهنية.

"أنا لا أفعل ذلك لأكون عامل حفر. أكره السيارات. قد أكون أحد المهندسين القلائل في العالم الذين يعاملونهم بهذه الطريقة. أنا أكرههم. حالات الغضب النادرة التي حدثت لي كانت بسبب آلات لا تقوم بما يجب عليها فعله ".

"أفعل ذلك بسبب الخبرة. لقد قمت بتجديف القوارب ، ثم تركت شركة طيران جيدة ، وقررت القيام بالبيئة ، ثم عدت إلى الهندسة من خلال علم الجليد ، بدءًا من ولاية مينيسوتا. أذهب دائمًا إلى مكان ما فقط بسبب المكان نفسه ، ولكن ليس بسبب الحفر. سأبذل قصارى جهدي لجعل الحفر يسير على ما يرام ، لأنه يعني أنه يمكنني الذهاب إلى مكان جيد آخر ".


مختبر IceCube في محطة Amundsen-Scott Antarctic Station. هذا كاشف جسيمات يبحث عن النيوترينوات المنبثقة من ألمع مصادر الفيزياء الفلكية - النجوم المتفجرة ، رشقات من أشعة غاما ، النوبات التي تنطوي على ثقوب سوداء ونجوم نيوترونية. كان أمامه كاشف أماندا .

لم يحصل على شهادة علمية في علم الجليد ، وكما يتذكر ، "كان الوقت ينفد بسرعة كبيرة عندما اتصلوا بي فجأة وقالوا إن جامعة نبراسكا لينكولن كانت تبحث عن شخص يحمل شهادة هندسة يعرف علم الجليد. لذا اتصلت بهم ، وتم التعاقد معي عبر الهاتف في منتصف أكتوبر ، وبعد أسبوعين كنت جالسًا على متن طائرة متجهة إلى رف روس الجليدي .

يطفو Ross Ice Shelf على سطح البحر بالقرب من محطة McMurdo Antarctic Station ويوفر منصة ثابتة لمطار ويليامز فيلد. إنها أكبر كتلة جليدية عائمة على هذا الكوكب ، قابلة للمقارنة من حيث الحجم مع فرنسا. ولأول مرة ، كان بروس موجودًا في صيف أنتاركتيكا 1977-1978.

تلقت جامعة نبراسكا لينكولن عقدًا من مؤسسة العلوم الوطنية لحفر بئر حتى 60 مترًا من الرف الجليدي حتى تتمكن مجموعة من العلماء من دراسة المحيط المخفي أسفله. تعمل طائرة اللهب المستخدمة في صناعة التعدين لقطع الحجر البلوري كحفر . كان يتألف من ضاغطين يزن كل منهما 4.5 طن ، لتزويد الهواء تحت ضغط من 70 جوًا لمحرك نفاث معدل - في الواقع ، موقد بنسن عملاق - يتم إنزاله في بئر بمياه طينية ، لهب بصق ووقود ديزل غير محترق.

قال بروس: "حسناً ،" إنها تتمايل بشكل رهيب. الكثير من الضجيج ، الكثير من الدخان ، الكثير من الأوساخ. لكنها قامت بحفر الرف الجليدي بسرعة كبيرة. وتبين وجود ثقب بقطر حوالي 45 سم ، حتى يتمكن العلماء من تخفيض أجهزتهم هناك وإجراء تجاربهم ".

على مدى العقد التالي ، ساعد عالم الجليد الجليدي تشارلي بنتلي من جامعة ويسكونسن ماديسون على حفر العديد من الثقوب الصغيرة باستخدام حفار الماء الساخن - بشكل عام ، خرطوم حديقة عملاق - في أجزاء مختلفة من القارة القطبية الجنوبية بحيث يمكن لبنتلي بعد ذلك رمي الديناميت في الثقوب والانخراط في تجارب الزلازل. نظر إلى الفن المعقد لحفر اللب الجليدي ، حيث يغمس أنبوب حفر مجوف بجدران داخلية ناعمة ، ونقوش في الخارج وأسنان حادة تحت الجليد بشكل دوري في الجليد لقطع الأجزاء وسحبها مترًا واحدًا في كل مرة. قام بحفر قلوب جليدية في جرينلاند والعديد من الأماكن في القارة القطبية الجنوبية ، بما في ذلك القطب - ووجد أيضًا وقتًا لاختراع الحفر عالي الارتفاع لقلب الجليد.

بحلول ربيع عام 1990 ، أصبح بروس أحد أفضل المتخصصين. شارك في ثلاث عشرة بعثة حفر وكان أفضل متخصص عملي في حفر الجليد بجميع أشكاله على هذا الكوكب. عندما جاء جون كيلي ، مدير وزارة القطب القطبي الجليدي الأمريكية ، إلى بروس وسأل عما إذا كان من المثير للاهتمام مساعدة مجموعة من الفيزيائيين في حفر بضعة آبار في غرينلاند لاستكشاف إمكانيات بناء تلسكوب النيوترينو في القطب الجنوبي ، استغل هذه الفرصة. "بالطبع!" - يتذكر كلماته. "هذا هو المشروع الأكثر إثارة للاهتمام سمعت عنه على الإطلاق! إذا لزم الأمر ، لن أنام وسأعمل في الليل ".

في أغسطس 1990 ، ذهب بوب مورس ، فيزيائي من جامعة ويسكونسن ، وتوم ميللر ، خريج جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، إلى غرينلاند لقضاء أول صيد جليدي للميونات. تتكون معدات الصيد الخاصة بهم من ثلاثة مضاعفات إلكترونية ضوئية حصلت عليها مورس.


إنزال مجس إلى بئر في الجليد

أعد بروس البئر الذي حفره الصيف الماضي. منذ انهيار الآبار الجليدية بسبب ضغط الجليد ، حفرها على عمق 217 متر. قام الفيزيائيون بخفض خط الصيد هناك ، وأجروا الجزء الأول من القياسات. ثم قرروا أنهم يريدون زيادة الاتصال البصري بين المضاعفات الضوئية والجليد ، وسألوا عما إذا كان لدى الحفارين أي سائل يمكن سكبه في البئر. يوجد نقص في السوائل غير المجمدة في مرتفعات غرينلاند ، ولكن لديها احتياطيات ضخمة من أسيتات البوتيل تستخدم لمنع انهيار البئر. قاموا بصبها في الداخل بحيث تكون كافية لتغطية خط الصيد ، وأجرت قياسات متكررة.

يقول بوب: "لا أعرف لماذا بدا لنا أننا بحاجة إلى سحب خط الصيد ، ولكننا أخرجناه ، وفجأة رأينا هذا المخاط الأزرق السميك الذي يغطي كل شيء. حل أسيتات البوتيل غمد الأسلاك ، ورسم كل الثلج والسائل في مكان قريب بلون أزرق أرجواني جميل. تساءلنا عما إذا كان لدينا على الأقل بعض الضوء يمر بها. قمنا بتصوير المضاعفات الضوئية قبل خفضها ، ثم بعد خفضها ، وفي الصورة الثانية تبدو مثل جليد فاكهة عنب كبير. كان السائل الأزرق في قفاسي ، في ثيابي ، على وجهي. كانت صبغة تم استخدامها للكابل. عملت الكهرباء ، ولكن بصريا لم نكن متأكدين مما قمنا به ".

أماندا (موني أنتاركتيكا موني ونيوترينو كاشف صفيف) فريق الشباب [مجموعة أنتاركتيكا من كاشفات الميون والنيوترينو] ، والتي تضمنت تيم ميللر ، بوفورد برايس ، أندرو ويستفال ، ستيف بارويك ، فرانسيس هالزن وبوب مورس [دوغ لودر ، تيم ميللر ، بوفورد برايس أرسل أندرو ويستفال وستيف بارويك وفرانسيس هالزن وبوب مورس رسالة إلى مجلة نيتشر التي نشرت في سبتمبر من ذلك العام. يعتقد فرانسيس أن هذه "الرسالة أطلقت تجربة" ، موضحة أن فكرة استخدام الجليد القطبي ككاشف نيوترينو "لا تزال مجنونة ، لكنها ليست كثيرة جدًا".

تقرأ الرسالة أن "البئر كانت مليئة بأسيتات البوتيل ، وهو سائل عضوي تم اختياره بسبب درجة حرارة التجمد المنخفضة والوضوح البصري". لم يذكر المخاط الأزرق. "وجدنا النتائج ملهمة ونخطط لإجراء تجارب أعمق في القطب الجنوبي في الصيف الجنوبي القادم".

مع هذه العوائق والعيوب التي تجري التجارب العلمية. كما كتب بوب مورس:

غرينلاند مثال رائع على تجربة تم إعدادها على عجل حتى لا تفوت الفرصة. تم ارتكاب أخطاء ، وتم الحصول على بيانات غير كاملة ، والتي كانت لا تزال مفيدة ، وكيف يمكن أن يكون الفشل في متناول اليد بالنهج الصحيح. هذه تجربة صغيرة سبقت مشروع AMANDA ، وكانت تحتوي على جميع ميزات مشروعات AMANDA و IceCube التي تم إنشاؤها لاحقًا. تم الحصول على النجاحات التي جاءت في وقت لاحق فقط بفضل تصحيح الأنظمة لوضع البيانات وتلقيها - ولكن هذه المهمة كانت غير تافهة. مثال نادر على كيفية ثقة المنظمات التي مولت التجربة بالبيانات (وإن كانت غير كاملة) أكثر من العديد من المجربين.

يضيف فرانسيس أنه "من الواضح أنه لم يكن لدينا فكرة عما نفعله ، لذا كانت هذه دراسة حقيقية ، أليس كذلك؟"

لقد اشتبه في أن "العديد من الأشخاص لديهم فكرة مماثلة ، لكنهم يعرفون علم الجليد أفضل مني ، وقرروا بوضوح أنه لن ينجح. إذا فهمنا حقًا ما كنا نفعله ، فربما لم نكن لنفعله على الإطلاق. وكما اتضح ، تبين أن العديد من الأشياء التي كان ينبغي لنا أن نعرفها خاطئة ".


5 ميجاوات لتركيب التدفئة في منصة IceCube. يمر الماء الساخن عبر الخراطيم ، من نظام التسخين إلى حيث يتم حفر الجليد حاليًا. يبلغ طول الخرطوم المستخدم في الحفر ما يقرب من 3 كم ويتم لفه حول بكرة كبيرة في المركز.

في المحاضرات التي يلقيها اليوم للعلماء الشباب ، يستخدم أحيانًا الأيام الأولى من مشروع AMANDA كمثال على الحكمة: "لا تقرأ الكتب ، قم بالأعمال. من الأفضل أن تكون رجل محظوظ جاهل ". عادة ما يتم الاكتشافات الأصلية من قبل الشباب الذين ليسوا على دراية بالمعرفة المقبولة بشكل عام. يعتقد أنه كان قادرًا على القيام بشيء أصلي في سنه يتجاوز سن الأربعين فقط لأنه شعر بـ "الشباب مرة أخرى" بمعنى السذاجة. "فقط عندما تكون جاهلاً ولا تقرأ جميع الكتب ، يمكنك أن تفعل شيئًا أصليًا وجديدًا."

دخل عالم التجارب ، لا يسيطر عليه المنطق الواضح للنظرية. في التجارب ، يجب على المرء ألا يأخذ في الاعتبار فقط العديد من النقاط العملية والاستراتيجية - في بعض الأحيان يكون من الأفضل التوقف عن التفكير للحظة وفعل شيء ما.

إذا قرأ كتابًا دراسيًا موثوقًا حول بصريات الجليد والماء ، فسوف "يتعلم" أن طول امتصاص الضوء الأزرق في الجليد النقي - المسافة التي يمتص فيها حوالي ثلثي الضوء - حوالي 8 أمتار. ثم سينتهي كل شيء. كانوا يعيدون المضاعفات الضوئية ويعودون إلى منازلهم. إذا تم امتصاص إشعاع Cherenkov فعليًا في مثل هذه المسافة القصيرة ، فسيستغرق الأمر حوالي 2 مليون مضاعف ضوئي لملء كيلومتر مكعب من الجليد ، ولن يستغرق الأمر سوى حوالي 6 مليارات دولار. لحسن الحظ ، كان الكتاب خاطئًا للغاية. لقد حصلوا على قيمة تقريبية تبلغ 18 مترًا من بيانات جرينلاند ، وعلى الرغم من أن هذا الرقم غير صحيح أيضًا ، فقد كان خطوة في الاتجاه الصحيح.

بعد بضع سنوات ، عندما كانوا لا يزالون يحاولون فهم الجليد ، لكنهم تلقوا بالفعل إشارات بأن طول الامتصاص كان في الواقع أكثر من 18 مترًا ، سلمت مكتبة ماديسون عن طريق الخطأ كتبًا مخصصة لشخص آخر إلى مكتب فرانسيس. بطبيعة الحال ، بدأ في النظر فيها ، وعندما وصل إلى المعلومات حول طول الامتصاص الذي يبلغ طوله ثمانية أمتار ، شعر بالبرد في طريقه من خلال ظهره.

في الربيع الجنوبي من عام 1991 ، سافر بوب مورس وبروس كوشي وستيف بارويك وتيم ميللر جنوبًا لإجراء أول حفر لأماندا. تجربة PICO ، التي تبحث عن دليل مباشر على وجود مادة مظلمة ، أرسلت أيضًا فريق حفر في المهمة ، والذي تضمن بيل باربر ، وهو بريطاني طويل القامة ، حسن المظهر ، غير منزعج وقوي بشكل لا يصدق.

أرادوا استخدام خرطوم مع فوهة في النهاية لرش الماء الساخن في تيار مواز ، وبعد ذلك يجب ببساطة غمر الفوهة في الجليد الذائب تحت تأثير الجاذبية. عند الحفر بالماء الساخن ، فأنت بحاجة إلى الكثير من الماء الساخن للغاية الذي يتعرض لضغط مرتفع ، وخرطوم بقطر كبير مع عزل حراري جيد للجدران بحيث تظل المياه ساخنة على طول الطريق وتنقل أكبر قدر ممكن من الحرارة من خلال الفوهة إلى الجليد. صحيح ، من الضروري الحفاظ على التوازن والسماح لبعض الحرارة بالهروب من خلال الجدران الجانبية حتى لا يتجمد الماء في الجزء العلوي من البئر. في أحد الأيام ، أشار بروس إلى أنه لا توجد تلسكوبات نيوترينو كبيرة جدًا ، و "لا توجد تدريبات كبيرة جدًا بالماء الساخن ، لأن أفضل الحفر هو الذي يحفر البئر على الفور". هذا ، بالطبع ، هو مثقاب خيالي - يوفر كمية غير محدودة من الحرارة على الفور تقريبًا - لكنه ينقل الجوهر: أنت بحاجة إلى الكثير من الحرارة وخرطوم ضخم.

كان بروس يعرف أن تركيبها ، المسمى Bucky-1 ، له قيود خطيرة في كلا الجانبين. كان قطر الخرطوم 2.5 سم فقط ، ومحطة التسخين ، التي تحتوي على عدة غلايات واقفة في الشارع مباشرة على الجليد ، أنتجت 0.5 ميجاوات فقط من الطاقة. استخدم أول تمرين الماء الساخن الذي استخدمه على رف روس محطة بقدرة 2 ميجاوات. "كنا نعلم أن Bucky-1 لديها قيود ، ولكن تلك التي لم نكن نعرفها على وجه اليقين ، حيث كانت هذه هي المرة الأولى التي يحاول فيها أي شخص حفر الجليد البارد والعميق". وقد حسب أنه عندما يمر 1000 متر ، فإن الحرارة الخارجة بسبب الخسائر على طول الخرطوم ستتجاوز الطاقة التي تولدها المحطة. وبعبارة أخرى ، قد يتجمد الجزء السفلي من الخرطوم. يمكن أن يلعب ألعابًا مختلفة ، محاولًا منعه من التجمد ، على سبيل المثال ، رفعه وخفضه باستمرار لتسخين الماء في الحفرة التي صنعت للتو ، لكن هذا سيتطلب وقودًا إضافيًا ، وفي الواقع سيكون من الصعب القيام بذلك.

يقول: "إن حفر الماء الساخن ليس للجبناء". "نحن نحاول الحفاظ على درجة حرارة لا تقل عن 50 درجة ، وهذا ليس لطيفًا دائمًا".

جذب فريق مشروع أماندا الجميع مع أحواض الاستحمام الخاصة به ، حيث تم تسخين المياه للحفر. حتى أوقفت المؤسسة العلمية هذا العمل ، كان لديهم حفلات في أحواض المياه الساخنة في موقع الحفر. ومن الجيد أنهم استمتعوا ، لأن الحفر نفسه ذهب هكذا.

في البئر الثاني ، كانوا جشعين وحاولوا الهبوط إلى أقل من 1000 متر ، مما أدى إلى أسوأ النتائج التي يمكن توقعها من الحفر الساخن.

يتذكر بوب فيما بعد: "لقد علق Bucky-1 معنا". "إنه لا يزال هناك."

قال بروس: "نعم ، مثل علامة الرادار".

كان بوب نائمًا في خيمة Jamesweiss في القطب الشمالي عندما علّق عامل الحفر في PICO ، ديف كيستور ، رأسه في الستارة وهمس بأن لديه أخبارًا سيئة. نظرًا لأن إحدى التحولات الثلاثة في المخيم تحاول باستمرار النوم ، يتم الحفاظ على الصمت باستمرار في "المخيم الصيفي".

"ماذا نفعل؟ - سأل ديف. "لخفض أدواتنا هناك أم لا؟"

أجاب بوب "يا إلهي ، لا أعرف". - أعتقد أنها ستفعل. لقد استثمرنا بالفعل الكثير في هذه الحفرة. يجب أن نفعل كل ما بوسعنا ".

نهض من السرير وذهب بحثا عن ستيف بارفيك. "أقول ،" ستيف ، لقد علقوا هناك. " ذهب ستيف هائجًا وبدأ بالصراخ - لم يكن يعرف مكان تيم ميللر ، لذلك ذهب للنظر في كل خيمة في الثالثة صباحًا ، وصرخ بكل قوته: "تيم ميللر؟ تيم ميللر ، أين أنت بحق الجحيم؟ أين أنت تسكع؟ "وظننت أن بعض العمال الذين يبلغ ارتفاعهم مترين سيصعدون ويضربون ستيف. اعتقدت أن لديه قبعة ".

قامت PICO بحفر نوبتين فقط ، عمل كل منهما لمدة 12 ساعة ، وتم تعليق الحفر في النوبة الليلية. كان بروس في وضح النهار ، وعلى الرغم من أنه لم ينم كثيرًا أثناء الحفر ، إلا أنه سار بجانبه ، وبقي على اطلاع دائم ، ولا حتى في نوبته - كان نائمًا عندما حدثت المشكلة. ولم يعلقوا في الحفر فحسب ، بل أوقفوا أيضًا تدفق المياه في الخرطوم. ربما هذا هو الوضع الوحيد مع حفر الماء الساخن ، الذي لا يوجد منه مخرج.

قال بروس في وقت لاحق: "أي شخص حفر الماء الساخن مرة واحدة على الأقل في حياته ارتكب خطأ ويفتقر إلى الحرارة الكافية". قرر أنهم كانوا محظوظين للوصول إلى هذا العمق.

حاولوا سحبها مع جرافة كاتربيلر D7 .

قال بوب ، "لقد تم سحب هذا الخرطوم اللعين مثل خيط الكمان. تقلص إلى نصف قطره. فقط بيل باربر كان لديه الشجاعة للذهاب إلى هناك والوقوف عندما كان الخرطوم يخرج من هذه الحفرة ، ثم أخذ المنشار وقطعه. ورأينا كيف يختفي هذا الخرطوم في الحفرة بسرعة الصوت ، وسمعنا مثل "fyuyuyuyuyu".

وفي مثل هذه الحالة ، عندما اختفت نهاية الحفر وجزء كبير إلى حد ما من الخرطوم في البئر ، اتبعوا نصيحة بوب النائم وخفضوا خط الصيد بالمعدات هناك. لسبب ما - كان الخرطوم عالقًا ، أو اتضح أن البئر ضيقة جدًا - لم يتجاوز 150 مترًا ، ثم بدأوا في القلق من أن الضوء من السطح يمكن أن يصل إلى أجهزة الكشف وحجب أي إشارات ميون يمكنهم استقبالها. كانت المضاعفات الضوئية حساسة للغاية. لقد عملوا على مستوى الفوتونات المفردة ، أي أنهم استطاعوا اكتشاف جزيئات الضوء الفردية.

"نظرت حولي وقلت:" نحن بحاجة إلى سد حفرة. يتذكر بوب: "لماذا أسكت عنها؟". - كان لدينا أسبستوس وأكياس قمامة خضراء. كان علماء البيئة سيضعون الطوب إذا اكتشفوا ذلك: بدأت في وضع عازل الأسبستوس في الأكياس بحيث اكتسبوا حجمًا ، وألقوا بهم في الحفرة ، محاولين صنع قابس من الضوء. أعتقد أنني رميت ثلاثة أو أربعة هناك - مثلما فعلت ".

الفيزياء التجريبية بكل عيوبها ومشاكلها.

مارك بوين كاتب وفيزيائي. وقد كتب لمجلات التسلق والتاريخ الطبيعي والعلوم والتكنولوجيا مراجعة AMC Outdoors ، وشارك في مشروعات AMANDA و IceCube منذ عام 1998. مقتطفات من التلسكوب في الجليد ، 2017.