يمكن التعرف على وجود النيوترينوات من خلال حلقات إشعاع Cherenkov التي تظهر على الأنابيب المفرغة للمضاعفات الإلكترونية الضوئية الموجودة على جدران الكاشف. توضح هذه الملاحظة نجاح منهجية علم الفلك النيوترينو. تظهر هذه الصورة العديد من الأحداث في وقت واحد.في بعض الأحيان تفشل حتى أكثر التجارب المصممة بنجاح. قد لا يحدث التأثير الذي تبحث عنه ، لذلك يجب أن تكون مستعدًا دائمًا لنتيجة صفر. في مثل هذه الحالات ، تم وضع علامة على التجربة بأنها غير ناجحة ، على الرغم من أنه بدون إجرائها ، لم تكن لتعرف نتائجها أبدًا.
ومع ذلك ، في بعض الأحيان قد تكون الوحدة التي أنشأتها حساسة تجاه شيء مختلف تمامًا. متابعة العلم بطريقة جديدة ، بحساسية جديدة أو في ظل ظروف جديدة وفريدة من نوعها ، غالبًا ما نجري أكثر الاكتشافات غير المتوقعة والنجاح. في عام 1987 ، اكتشفت تجربة فاشلة للكشف عن اضمحلال البروتون لأول مرة النيوترينوات التي لم تأت فقط من نظامنا الشمسي ، ولكن أيضًا خارج درب التبانة. لذلك ولد
علم الفلك النيوترينو .
إن تحويل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد للإلكترون هو مجرد فرضية طرحها باولي من أجل حل مشكلة الطاقة غير المحفوظة في اضمحلال بيتا.النيوترينو هو واحد من أعظم قصص النجاح في الفيزياء النظرية. في بداية القرن العشرين ، عرفت ثلاثة أنواع من الاضمحلال الإشعاعي:
- اضمحلال ألفا ، حيث تنبعث ذرة كبيرة من نواة الهيليوم ، وتقفز عنصرين إلى أسفل الجدول الدوري.
- اضمحلال بيتا ، الذي تنبعث فيه النواة الذرية إلكترونًا عالي الطاقة ، لتحريك عنصر واحد إلى أعلى الجدول الدوري.
- اضمحلال جاما ، حيث تنبعث النواة الذرية من فوتون الطاقة ، وتبقى في خليتها في الجدول الدوري.
في أي تفاعل ، وفقًا لقوانين الفيزياء ، يجب أن تتوافق الطاقة الأولية والزخم للمتفاعلات مع الطاقة الكلية والزخم لمنتجات التفاعل. وفي حالة اضمحلال ألفا وجاما. ولكن في اضمحلال بيتا ، لم يتم احترام هذه القاعدة: فقد الطاقة دائمًا.
من المحتمل أن يكون الأثر على شكل حرف V قد تركه الميون المتحلل إلى إلكترون ونيوترينين. يشير أثر الطاقة العالية مع الكسر إلى انحلال جسيم أثناء الطيران. مثل هذا الاضمحلال ، إذا لم يتم تضمين النيوترينوات فيه ، فإنه ينتهك قانون الحفاظ على الطاقة.في عام 1930 ، اقترح
فولفجانج باولي إدخال جسيم جديد من شأنه حل هذه المشكلة: النيوترينوات. يمكن لهذا الجسيم الصغير المحايد أن يحمل الطاقة والزخم معه ، ولكن سيكون من الصعب للغاية اكتشافه. لا يمتص الضوء ولا ينبعث منه الضوء ، ويتفاعل فقط مع نوى الذرات ، وهو نادر للغاية.
بعد تقديم هذا الاقتراح ، لم يكن باولي يشعر بالثقة والفرح ، ولكنه يشعر بالحرج. وأعلن: "لقد فعلت شيئًا فظيعًا ، وأعلنت وجود جسيم لا يمكن اكتشافه". ولكن ، على الرغم من أعذاره ، تم تأكيد النظرية تجريبيا.
مفاعل نووي RA-6 تجريبي ، يظهر إشعاع Cherenkov المميز الناجم عن تحرك الجسيمات بشكل أسرع من الضوء في الماء. تم اكتشاف النيوترينوات (أو ، بشكل أدق ، مضادات النيوترينو) ، فرضية وجودها التي طرحها باولي لأول مرة في عام 1930 ، في مفاعل نووي مماثل في عام 1956.في عام 1956 ، تم اكتشاف النيوترينوات (أو بشكل أدق ، مضادات النيوترينوات) لأول مرة مباشرة كمنتجات لمفاعل نووي. يمكن للنيوتريونات أن تتفاعل مع النواة الذرية بطريقتين:
- إما أن يتبددوا ، يرتدوا بطريقة تصطدم بها كرة البلياردو في مجموعة من الآخرين ،
- أو تسبب انبعاث جسيمات جديدة ، مع طاقاتها وعزمها.
على أي حال ، يمكنك بناء كاشفات الجسيمات حيث تتوقع تفاعلات مع النيوترينوات والبحث عنها. هكذا تم العثور على النيوترينوات الأولى: بنى العلماء أجهزة كشف حساسة لعلامات وجود النيوترينوات عند حواف المفاعلات النووية. وإذا قمت بإعادة إنشاء كل طاقة منتجات التفاعل ، بما في ذلك النيوترينوات ، فقد اتضح أن الطاقة لا تزال محفوظة.
رسم تخطيطي لانحلال بيتا نووي في نواة ذرية ضخمة. فقط من خلال مراعاة طاقة وزخم النيوترينو يمكن للمرء أن يفي بقوانين الحفظمن الناحية النظرية ، يجب أن تظهر النيوترينوات في أي تفاعل نووي: في الشمس ، في النجوم والمستعرات الأعظمية ، عندما تتصادم الأشعة الكونية عالية الطاقة مع جزيئات الغلاف الجوي للأرض. بحلول الستينيات ، كان الفيزيائيون قد ابتكروا بالفعل أجهزة كشف النيوترينو بحثًا عن النيوترينوهات الشمسية والغلافية.
تحتوي كاشفات النيوترينو هذه على كمية كبيرة من المواد التي كان من المفترض أن تتفاعل النيوترينوات معها. لإخفاء الكاشفات عن الجسيمات الأخرى ، تم وضعها في أعماق الأرض: في المناجم. فقط النيوترينوات يجب أن تدخل المناجم. يجب أن تمتص الجزيئات الأخرى من الأرض. وبحلول أواخر الستينيات ، تم اكتشاف النيوترينوات الشمسية والجوية بنجاح.
لدغات منجم الذهب في جبال مدينة داكوتا الجنوبية الرائدة. تم افتتاحه قبل أكثر من 123 عامًا ، وأنتج أكثر من 1100 طن من الذهب من عمق 2400 م. وفي عام 1968 ، تم اكتشاف أول نيوترينوات هنا ، في تجربة طورها جون باكال وراي ديفيس.تبين أن تكنولوجيا الكشف عن الجسيمات ، التي تم تطويرها للتجارب مع النيوترينوات والمسرعات عالية الطاقة ، مناسبة لظاهرة أخرى: البحث عن اضمحلال البروتونات. على الرغم من أن
النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات يتنبأ بالاستقرار الكامل للبروتون ، في العديد من امتداداته - على سبيل المثال ، في
نظريات التوحيد الكبير - يمكن أن يتحلل البروتون إلى جزيئات أخف.
نظريا ، عندما يتحلل البروتون ، يجب أن ينبعث منها جزيئات ذات كتلة صغيرة بسرعات عالية. إذا وجدت طاقات وعزم هذه الجسيمات سريعة الحركة ، يمكنك إعادة إنتاج طاقتها الكلية وفهم ما إذا كانت بروتون.
يمكن أن تتصادم الجسيمات عالية الطاقة مع الآخرين ، مما يتسبب في زخات من الجسيمات الجديدة التي يمكن الكشف عنها بواسطة الكاشف. بعد إعادة إنشاء الطاقة والزخم وخصائص أخرى لكل منها ، يمكننا تحديد ما اصطدم في البداية بالضبط ، وما ظهر في هذا الحدثإذا تحللت البروتونات ، فيجب أن تكون حياتها طويلة للغاية. يبلغ عمر الكون نفسه 10
10 سنوات فقط ، لكن عمر البروتون يجب أن يكون أطول بكثير. ولكن كم أكثر؟ مفتاح حل هذا هو أنك لا تحتاج إلى مراقبة بروتون واحد ، ولكن عددًا كبيرًا منها. إذا كان عمر البروتون هو 10
30 سنة ، يمكنك إما أن تأخذ بروتونًا واحدًا وتنتظر لفترة طويلة (فكرة سيئة) ، أو تأخذ 10
30 بروتونًا وتنتظر عامًا ، مع ملاحظة ما إذا كان أي منها يتحلل.
يحتوي لتر الماء على ما يزيد قليلاً عن 10
25 جزيءًا ، وكل جزيء له ذرتان هيدروجين: بروتون مع إلكترون في المدار. إذا كان البروتون غير مستقر ، فيجب أن يساعدك خزان مياه كبير بما فيه الكفاية مع عدد كبير من أجهزة الكشف حول قياس استقراره / عدم استقراره أو الحد منه.
دارة كاشف Kamiokande من 1980s. يبلغ ارتفاع الخزان حوالي 15 مترا.في اليابان ، في عام 1982 ، بدأ بناء كاشف كبير تحت الأرض في مناجم كاميوكا. تم تسميته KamiokaNDE: Kamioka Nucleon Decay Experiment (تجربة Kamioka الأساسية للتحلل). كانت كبيرة جدًا بحيث احتوت على أكثر من 3000 طن من الماء وحوالي 1000 كاشف تم تحسينها للكشف عن الإشعاع المنبعث من جسيم سريع الحركة.
بحلول عام 1987 ، كان الكاشف يعمل لعدة سنوات ، دون حالة واحدة من تسوس البروتون. احتوى الخزان على حوالي 10
33 بروتون ، والنتيجة الصفرية دحضت النظرية الأكثر شعبية بين نظريات التوحيد العظيم. بقدر ما يمكننا أن نقول ، لا يتحلل البروتون. لم يتحقق الهدف الرئيسي ل Kamiokande.
يثري انفجار المستعر الأعظم وسطه النجمي بالعناصر الثقيلة. تخرج الحلقات الخارجية من المواد السابقة المقذوفة قبل الانفجار الرئيسي بوقت طويل. أيضا ، ينفجر انفجار مجموعة كبيرة من النيوترينوات ، يصل بعضها إلى الأرضولكن بعد ذلك حدث شيء غير متوقع. قبل 165،000 سنة ، في مجرة درب التبانة الفضائية ، وصل نجم ضخم إلى نهاية حياته وانفجر ، مما أدى إلى ظهور مستعر أعظم. في 23 فبراير 1987 ، وصل هذا الضوء لأول مرة إلى الأرض.
وقبل ساعات قليلة من ظهور هذا العالم ، حدث شيء رائع في Kamiokand: وصل 12 نيوترينو بفارق 13 ثانية. أظهر تفشيان - الأول يحتوي على 9 نيوترينوات ، والثاني 3 - أنه في المستعرات العظمى هناك الكثير من التفاعلات النووية التي تولد النيوترينوات.
لاحظ ثلاثة كاشفات مختلفة النيوترينوات من SN 1987A ، والأكثر موثوقية ونجاحًا صنعه Kamiokande. إن التحول من كاشف اضمحلال النيوكليون إلى كاشف النيوترينو مهد الطريق لتطوير علم مثل علم الفلك النيوترينيلأول مرة اكتشفنا النيوترينوات التي جاءت من خارج النظام الشمسي. بدأ علم الفلك النيوترينو. خلال الأيام القليلة التالية ، تم رصد ضوء من هذا المستعر الأعظم ، المعروف الآن باسم SN 1987A ، على مدى واسع من الطول الموجي في العديد من المراصد الأرضية والفضائية. بناءً على فارق الوقت الضئيل بين النيوترينو والضوء ، علمنا أن النيوترينو:
- مرت 165،000 سنة ضوئية بسرعة لا يمكن تمييزها عن سرعة الضوء ؛
- أن كتلتها لا يمكن أن تكون أكبر من 1/30 000 من كتلة الإلكترون ؛
- أن النيوترينوات لا تتباطأ خلال رحلتهم من قلب النجم المتعاقد إلى الغلاف الضوئي ، كما يحدث مع الضوء.
وحتى اليوم ، بعد مرور أكثر من 30 عامًا ، يمكننا دراسة بقايا مستعر أعظم ونرى كيف تطورت.
تستمر موجة الانفجار التي تتحرك للخارج من انفجار عام 1987 في الاصطدام بالمواد المقذوفة السابقة للنجم الضخم الذي كان يومًا ما يسخن ويبرزها في هذه العملية. تستمر العديد من المراصد في تلقي صور من بقايا السوبرنوفا اليوم.لا يمكن المبالغة في تقدير الأهمية العلمية لهذه النتيجة. وأشار إلى ظهور علم الفلك النيوترينوي ، تمامًا مثل الاكتشاف الأول لموجات الجاذبية من اندماج الثقوب السوداء التي كانت بمثابة ولادة
علم الفلك الموجي الثقالي . ثم ولد
علم الفلك متعدد القنوات ، مشيرًا إلى المرة الأولى التي لوحظ فيها نفس الشيء في النطاق الكهرومغناطيسي (الضوء) ومن خلال طريقة أخرى (النيوترينو).
أظهر لنا إمكانية استخدام خزانات كبيرة تحت الأرض للكشف عن الأحداث الفضائية. ويجعلنا نأمل أن نتمكن يومًا ما من إجراء ملاحظة نهائية: حدث يجتمع فيه الضوء والنيوترينات وموجات الجاذبية معًا ويعلمنا جميع مبادئ عمل أجسام الكون.
سيكون الحدث الأخير لعلم الفلك متعدد القنوات هو اندماج اثنين من الأقزام البيضاء أو نجمين نيوترونيين ، وقع بالقرب منا. إذا حدث مثل هذا الحدث بالقرب من الأرض ، فيمكننا في وقت واحد اكتشاف النيوترينوات والموجات الخفيفة والجاذبية.وبفضل هذه النتيجة ، تمت إعادة تسمية تجربة Kamiokande بذكاء. منذ فشل تجربة Kamioka Nucleon Decay ، تم إلغاء KamiokaNDE. لكن ملاحظة النيوترينو المذهلة من SN 1987A أنتجت مرصدًا جديدًا: KamiokaNDE ، تجربة الكشف عن كاميوكا نيوترينو (تجربة الكشف عن كاميوكا النيوترينو)! وعلى مدار الثلاثين عامًا الماضية ، تم تحديثه عدة مرات ، وتم بناء العديد من الهياكل المماثلة حول العالم.
إذا انفجرت مستعر أعظم اليوم في مجرتنا ، فسنكون محظوظين لتسجيل ما يصل إلى 10000 نيوترينو يصلون إلى كاشفنا. معًا ، سيحدون بشدة من عمر البروتون ، الذي يعتقد اليوم أنه يتجاوز 10
35 عامًا - لكننا لا نبنيها لهذا الغرض. بعد كل كارثة ذات طاقة عالية ، تندفع النيوترينوات لتنتشر في جميع أنحاء الكون. ومع أجهزة الكشف العاملة ، يعيش علم الفلك النيوترينو ، ويشعر بالارتياح ، وهو جاهز لما يرسله لنا الفضاء.