فيزيائيون يتوصلون لأصغر قياس حتى الآن لكتلة "جسيم الشبح"

أعطت نظائر الهيدروجين المتحللة في وقت سابق من هذا العام، أصغر قياس حتى الآن لكتلة النيوترينو، ومن خلال قياس توزيع الطاقة للإلكترونات المنبعثة خلال اضمحلال بيتا للتريتيوم، قرر الفيزيائيون أن الحد الأعلى لكتلة الإلكترون المضاد للنوترينو هو 0.8 إلكترون فولت فقط، وهذه 1.6 × 10–36 كيلوغراما في الكتلة المترية، وصغيرة جدا.

ورأى العلماء أنه على الرغم من عدم امتلاك قياس دقيق، إلا أن تضييق القياس يجعل الباحثين أقرب إلى فهم هذه الجسيمات الغريبة، والدور الذي تلعبه في الكون، وتأثيرها على نظريات الفيزياء الحالية.

وكتب الباحثون في ورقتهم المنشورة في فبراير 2022، لقد "وصلت حملة قياس كتلة النيوترينو الثانية لـ KATRIN، المعروضة هنا، إلى حساسية تحت الفولت الإلكتروني. وبالاقتران مع الحملة الأولى، وضعنا حدا أعلى محسنا للمتر المكعب"، بحسب موقع "ساينس ألرت".

اظهار أخبار متعلقة

والنيوترينوات غريبة جدا. إنها من بين الجسيمات دون الذرية الأكثر وفرة في الكون، على غرار الإلكترونات، ولكن بدون شحنة وعديمة الكتلة تقريبا.

وهذا يعني أنها نادرا ما تتفاعل مع المادة العادية؛ في الواقع، المليارات تمر عبر جسدك الآن.

ويطلق العلماء على "النيوترينوات" اسم جزيئات الأشباح، لأن اكتشافها من الأمور الصعبة جدا، لكن لدى العلماء بعض طرق الكشف - مثل كاشفات Cherenkov للنيوترينو - ولكنها غير مباشرة، فهي تلتقط تأثيرات النيوترينوات المارة، وليس النيوترينوات نفسها.

وكل هذا يعني أن قياس الكتلة القريبة من الصفر لهذه الجسيمات يمثل تحديا صعبا بشكل خاص.. ولكن إذا تمكنا من الحصول على قياس لهذه الخاصية، فسيكون هناك الكثير الذي يمكننا تعلمه عن الكون.

ويستفيد KATRIN من تحلل بيتا لنظير مشع غير مستقر للهيدروجين يسمى التريتيوم لسبر كتلة النيوترينو. وداخل الحجرة التي يبلغ ارتفاعها 70 مترا (230 قدما)، يتحلل غاز التريتيوم إلى هيليوم وإلكترون وإلكترون مضاد نيوترينو، في حين يحقق مطياف ضخم وحساس النتائج.

ونظرا لأن النيوترينوات شبحية جدا، فإنها لا يمكن قياسها. لكن الفيزيائيين واثقون تماما من أن الجسيم والجسيم المضاد لديهما توزيع متساو للكتلة والطاقة؛ لذلك، إذا قمت بقياس طاقة الإلكترونات، يمكنك اشتقاق طاقة النيوترينو.

اظهار أخبار متعلقة

وهذه هي الطريقة التي حصل بها الفريق على الحد الأعلى البالغ 1 إلكترون فولت لكتلة النيوترينو في عام 2019.

ولتحسين هذه النتيجة، قام الفريق بإقران زيادة عدد تحلل التريتيوم مع طرق لتقليل التلوث من أنواع أخرى من الاضمحلال الإشعاعي، ما أدى إلى الحد الأعلى المصقول.

وقال الفيزيائيان ماغنوس شلوسر من معهد كارلسروه للتكنولوجيا وسوزان ميرتنز من معهد ماكس بلانك للفيزياء في ألمانيا: "كان هذا العمل الشاق والمعقد هو الطريقة الوحيدة لاستبعاد التحيز المنهجي لنتائجنا بسبب العمليات المشوهة. نحن فخورون بشكل خاص بفريق التحليل الخاص بنا الذي قبل هذا التحدي الضخم بالتزام كبير وكان ناجحا".

وتشير النتيجة إلى المرة الأولى التي تنخفض فيها قياسات النيوترينو إلى ما دون عتبة 1 إلكترون فولت. إنها نتيجة مهمة ستسمح للعلماء، على الرغم من عدم وجود كتلة دقيقة، بتحسين النماذج الفيزيائية للكون.

وفي غضون ذلك، سيستمر التعاون في بذل المحاولات لتحسين قياسات كتلة النيوترينو.

وقال الباحثون: "سيستمر إجراء المزيد من القياسات لكتلة النيوترينو حتى نهاية عام 2024. ولاستنفاد الإمكانات الكاملة لهذه التجربة الفريدة، سنزيد بشكل مطرد إحصائيات أحداث الإشارات ونطور باستمرار ترقيات تثبيتها لتقليل معدل الخلفية بشكل أكبر".