تقدم النيوترينوات حلاً لغموض وجود الكون

تستمر النتائج المحدثة من تجربة النيوترينو اليابانية في الكشف عن تفاصيل عدم التطابق في سلوك المادة والمادة المضادة

تخلق النيوترينوات التي تمر عبر إعداد Super Kamiokande توزيعًا ملونًا للمعلومات على جدران الكاشف

إذا نظرت من الأعلى ، يمكنك الخلط بين ثقب في الأرض وعمود مصعد ضخم. لكن في الواقع ، يؤدي إلى تجربة يمكن أن تجيب على السؤال لماذا لم تختفي المسألة ، وتتحول إلى سحابة من الإشعاع بعد فترة وجيزة من الانفجار الكبير.

أنا موجود في مجمع أبحاث بروتون أكسيليريتور الياباني ( J-PARC ) ، وهو مكتب حكومي نائي يخضع لحراسة مشددة في توكاي ، على بعد ساعة بالقطار شمال طوكيو. تنتج تجربة T2K ( Tokai-to-Kamioka ) الجارية هنا شعاعًا من الجسيمات دون الذرية ، النيوترينو. يمر الشعاع من خلال 295 كم من الحجر إلى كاشف Super Kamiokanda ، حفرة عملاقة مدفونة 1 كم تحت الأرض ومليئة بـ 50،000 طن من الماء عالي النقاء. خلال الرحلة ، يغير بعض النيوترينوات "الفرز" من واحد إلى آخر.

التجربة مستمرة اليوم ، وتم الإعلان عن نتائجها الأولى العام الماضي. يدرس العلماء في T2K كيف تغير النيوترينوات التنوع ، محاولين تفسير غلبة المادة على المادة المضادة في الكون. خلال زيارتي ، شرح لي الفيزيائيون أنهم يعالجون بيانات جديدة تم الحصول عليها خلال العام الماضي ، والنتائج واعدة.

وفقًا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، لكل جسيم شريكه في المرآة ، والذي يحمل الشحنة الكهربائية المعاكسة - جسيم المادة المضادة. عندما تصطدم جزيئات المادة والمادة المضادة ، فإنها تبدد في انفجار الإشعاع. ومع ذلك ، يعتقد العلماء أنه خلال الانفجار الكبير يجب أن تظهر كمية متساوية من المادة والمادة المضادة ، مما يعني أن كل شيء يجب أن يختفي بسرعة كبيرة. لكنها لم تختف. نجا جزء صغير من المادة البدائية وشكل الكون المعروف لنا.

لا يعرف الباحثون سبب حدوث ذلك. يقول مورجان فاسكو ، الفيزيائي في إمبريال كوليدج في لندن: "يجب أن يكون هناك نوع من تفاعل الجسيمات يحدث بشكل مختلف في المادة والمادة المضادة". على سبيل المثال ، يمكن أن تتحلل المادة المضادة بطريقة مختلفة عن المادة. إذا كان الأمر كذلك ، فإن هذا من شأنه أن ينتهك فكرة ثبات CP ، التي تفترض أن قوانين الفيزياء يجب ألا تتغير إذا استبدلنا جزيئات المادة بمضادات (التماثل فيما يتعلق بالشحنة) وتعكسها (تناظر التكافؤ). يحمل التماثل معظم الجسيمات ، ولكن ليس للجميع. الجسيمات دون الذرية من الكواركات تنتهك تناظر CP ، لكن الانحرافات صغيرة جدًا لدرجة أنها لا تكفي لتفسير سبب انتشار المادة بشكل كبير على المادة المضادة في الكون.

في العام الماضي ، أعلن تعاون T2K عن أول دليل على أن النيوترينوات يمكن أن تنتهك ثبات CP ، وهو ما قد يفسر سبب امتلاء الكون بالمادة. قال أدريان بيفان ، اختصاصي فيزياء الجسيمات بجامعة كوين ماري في لندن: "إذا لوحظ انتهاك لثابت CP في مجال النيوترينو ، فإن هذا يمكن أن يفسر بسهولة الفرق بين المادة والمادة المضادة".

يبحث الباحثون عن انتهاكات الثبات CP عن طريق دراسة الاختلاف في سلوك المادة والمادة المضادة. في حالة النيوترينوات ، يدرس العلماء مع T2K كيف تتذبذب النيوترينوات ومضادات النيوترينوات ، أي التغيير ، على طول الطريق إلى مستشعر Super-K. في عام 2016 ، تم استبدال 32 نيوترين ميون بأخرى إلكترونية في طريقها إلى Super-K. وحين أرسل الباحثون الميونات لمضادات النيوترين هناك ، أصبح أربعة منها فقط إلكترونيًا.

أثارت النتائج المجتمع - على الرغم من أن معظم الفيزيائيين لم يفشلوا في الإشارة إلى أنه مع مثل هذه العينة الصغيرة كان هناك احتمال بنسبة 10 ٪ أن يكون هذا الاختلاف نتيجة لتقلبات عشوائية (للمقارنة ، عندما تم اكتشاف بوزون هيجز في عام 2012 ، كان احتمال عشوائية الإشارة مليونًا).

هذا العام ، جمع الباحثون ما يقرب من ضعف بيانات النيوترينو كما في الماضي. اشتعلت Super-K بـ 89 نيوترينو إلكتروني ، وهذا الرقم يتجاوز بكثير عتبة 67 جسيمًا ، والتي كان يجب أن تظهر في حالة عدم انتهاك الثبات CP. ووجدت التجربة أيضًا سبعة مضادات الكترونية فقط ، اثنتان أقل من المتوقع.



حتى الآن ، لم يعلن الباحثون عن هذا الاكتشاف. يقول فيليب ليتشفيلد ، الفيزيائي في جامعة إمبريال كوليدج في لندن ، نظرًا للكم الهائل من البيانات ، "لا يزال هناك احتمال واحد من أصل 20 أن يكون هذا انحرافًا إحصائيًا وليس انتهاكًا لثبات CP". ويضيف أنه لكي تصبح النتائج ذات مغزى حقيقي ، يجب أن تصل التجربة إلى 3 فرص من أصل 1000 ، ويأمل الباحثون في التغلب على هذا الخط بحلول منتصف 2020.

لكن توم برودر ، الفيزيائي بجامعة هاواي ، قال إن تحسينات البيانات التي أجريت العام الماضي ، وإن كانت متواضعة ، ما زالت تسير "في اتجاه مثير للغاية". لم تختف تلميحات الفيزياء الجديدة حتى الآن ، كما يتوقع المرء إذا تم شطب النتائج في حالة. كما تم تضمين نتائج تجربة أخرى ، NOvA ، أجريت في مختبر Fermi National Accelerator Laboratory في إحدى ضواحي شيكاغو. في العام الماضي ، أصدر مجموعة بيانات النيوترينو الأولى ، ومن المتوقع أن تظهر نتائج مضادات النيوترينو في الصيف المقبل. وعلى الرغم من أن هذه النتائج الأولى بشأن انتهاك ثبات CP لن تكون ذات دلالة إحصائية أيضًا ، إذا تزامنت نتائج تجارب NOvA و T2K ، فإن "اتساق جميع هذه التلميحات المبكرة" سيكون مثيرًا للفضول ، كما يقول مارك مونسيور ، الفيزيائي في جامعة إنديانا.

يمكن أن يحفز تحديث كاشف Super-K المخطط البحث. في الصيف المقبل ، يتم ضخ الماء من الكاشف لأول مرة منذ عقد من الزمن ، ثم يعاد تعبئته بالمياه فائقة النقاء. سيتم مزجه مع كبريتات الجادولينيوم ، وهو ملح من شأنه أن يزيد بشكل كبير من حساسية الجهاز لمضادات النيوترينو الإلكترونية. قال برودر: "إن خلط الجادولينيوم سيجعل الكشف عن تفاعلات مضادات النيترونات الإلكترونية مهمة سهلة للغاية". يساعد الملح الباحثين على فصل تفاعلات مضادات النيوترينو عن تفاعلات النيوترينو ، مما سيزيد من قدرتهم على البحث عن انتهاكات الثبات CP.

قال أندريه دي جوفيا ، الفيزيائي بجامعة نورث إيسترن ، "في الوقت الحالي ، نحن على استعداد للحجج بأن ثغرة CP تنتهك في حالة النيوترينو ، لكننا لن نفاجأ إذا لم يكن الأمر كذلك". فاسكو أكثر تفاؤلاً بقليل: "لم توضح نتائج T2K لعام 2017 بعد فهمنا لانتهاك الثبات CP ، لكنها تعد بزيادة دقة قياسه في المستقبل". "وربما المستقبل ليس بعيدًا كما كنا نعتقد العام الماضي."