سوف يقوم فيرميلاب بإرسال نيوترينوات الكثبان الرملية على بعد 800 ميل لدراسة جزيئات الأشباح

• النيوترينوات عبارة عن جسيمات صغيرة قد تحمل أسرارًا لبعض أعظم ألغاز الكون.
• ويأمل مشروع DUNE في معرفة المزيد عن هذه “الجزيئات الشبحية” التي يصعب دراستها.
• وللقيام بذلك، سيعمل المشروع على إرسال النيوترينوات إلى مسافة 800 ميل تقريبًا بين إلينوي وداكوتا الجنوبية.

منذ ما يقرب من سبع سنوات، بدأت أطقم العمل في حفر 800 ألف طن من الصخور. منجم ذهب سابق بالقرب من ليد، داكوتا الجنوبية.

يبلغ طول الكهوف الثلاثة الناتجة تحت الأرض 500 قدم وهي تقريبًا طويلة بما يكفي لاستيعاب مبنى مكون من سبعة طوابق.

من المتوقع أن تبلغ تكلفة مشروع DUNE (تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض) ما لا يقل عن 3 مليارات دولار، ويقوده علماء من وزارة الطاقة الأمريكية. فيرميلاب.

في نهاية المطاف، سيحتوي كل كهف على 17500 طن من الأرجون السائل، مما سيساعد فيزيائيي فيرميلاب على اكتشاف الجسيمات بعيدة المنال المعروفة باسم “الجسيمات الشبحية” والتي تسمى النيوترينوات.

النيوترينوات هي جسيمات دون ذرية تحيط بك وتمر من خلالك دون أن يلاحظها أحد. الشمس تخلقهم. تنتجها المستعرات الأعظم. وينتج الموز أيضًا النيوترينوات.

وقالت الفيزيائية ماري بيشاي ومتحدث باسم DUNE لموقع Business Insider: “إذا رفعت يدك، فإن 10 مليار نيوترينو من الشمس تمر عبر يدك”.

تُلقب النيوترينوات بالجسيمات الشبحية لأنها لا تحتوي على شحنة ونادرًا ما تتفاعل مع أي شيء تتلامس معه.

وهذا يجعل دراستها أكثر صعوبة، لكن العلماء يصرون على ذلك لأن النيوترينوات قد تحمل المفتاح لكشف أسرار الكون، بدءًا من ما حدث بعد الانفجار الكبير وحتى مراقبة ولادة ثقب أسود.

شعاع النيوترينو بين إلينوي وجنوب داكوتا

من الصعب دراسة الجسيم الذي لا ينبعث منه إشعاع وأخف من الإلكترون. وقال بيشاي: “تفاعلات النيوترينو أشبه بإبر في كومة قش”.

ويريد علماء فيرميلاب دراسة النيوترينوات بشكل لم يسبق له مثيل باستخدام DUNE.

ولهذا السبب سيكون لدى DUNE أكبر كاشف للنيوترينو على الإطلاق.

بمجرد الانتهاء، تم تصميم الاختبار ليبدأ بتسلسل مسرعات الجسيمات في فيرميلاب خارج شيكاغو، إلينوي.

تطلق المسرعات أولاً حزمًا قوية للغاية من النيوترينوات من خلال كاشف في فيرميلاب. سوف ينتقل الشعاع بعد ذلك مسافة 800 ميل تحت الأرض إلى أجهزة الكشف في منشأة سانفورد للأبحاث تحت الأرض في داكوتا الجنوبية.

على طول الطريق، تقوم النيوترينوات بشيء غريب بعض الشيء. هناك ثلاثة أنواع من النيوترينوات، ويمكن للجسيم أن يتنقل ذهابًا وإيابًا فيما بينها، وهي ظاهرة تُعرف باسم التذبذب. قام أحد علماء فيرميلاب بمقارنتها بقطة منزلية سوف يتغير جاكوار ثم نمر قبل أن يعود إلى شكله الأصلي.

إن تتبع كيفية تغير النيوترينوات عبر مسافات طويلة بين إلينوي وداكوتا الجنوبية سيساعد العلماء على فهم هذه التذبذبات بشكل أفضل من خلال توفير رؤية أكثر اكتمالاً من تجربة نوفا الحالية التي أجراها فيرميلاب والتي تمتد لمسافة 500 ميل بين إلينوي ومينيسوتا.

إن القيام بكل هذا على بعد ميل تحت الأرض يحمي الجزيئات الدقيقة والمتذبذبة من الأشعة الكونية النشطة التي تمطر سطح الأرض كل ثانية ويمكن أن تتداخل مع البيانات.

حل أسرار الكون

يأمل العلماء في الإجابة على ثلاثة أسئلة رئيسية باستخدام DUNE: لماذا يتكون الكون من المادة بدلاً من المادة المضادة، وماذا يحدث عندما ينهار نجم، وتتحلل البروتونات؟

وقال بيشاي: “بعد الانفجار الكبير، تم خلق المادة والمادة المضادة بكميات متساوية تقريبًا”. لكن اليوم، مما يمكن للعلماء قوله، أن الكون يتكون بالكامل تقريبًا من المادة.

“لماذا انتهى بنا الأمر إلى كون مادي وليس كون المادة المضادة؟” هي اضافت.

تم تصميم شعاع DUNE لإنتاج كل من النيوترينوات والنيوترينوات المضادة، وهي نسخة المادة المضادة. إن النظر إلى التذبذبات في كل نوع يمكن أن يساعد العلماء على معرفة ما حدث لكل المادة المضادة.

وقال بشاي إن المشروع تم إعداده أيضًا لفيزياء المستعرات الأعظم.

في عام 1987، شهد علماء الفلك أحد ألمع انفجارات المستعرات الأعظم منذ حوالي 400 عام. وباستخدام أجهزة الكشف في ذلك الوقت، لم يتمكنوا سوى من اكتشاف بضع عشرات من النيوترينوات.

وقال بيشاي إن هناك احتمالًا بنسبة 40% أن ينفجر نجم قريب آخر في العقد المقبل، ويأمل فيرميلاب أن يتمكن من تشغيل أحد أجهزة الكشف في داكوتا الجنوبية في الوقت المناسب.

يمكن لمثل هذا الكاشف الكبير التقاط آلاف النيوترينوات وتقديم نظرة ثاقبة لكيفية تشكل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية.

أخيرًا، لم يرَ العلماء بعد اضمحلال البروتونات، لكن النظرية تتوقع حدوث ذلك. البروتونات عبارة عن جسيمات صغيرة موجبة الشحنة تشكل جزءًا من نواة الذرة.

إن مراقبة اضمحلال البروتون سيكون لها آثار على اعتقاد ألبرت أينشتاين بأن النظرية من شأنها توحيد جميع القوى في الطبيعة.

إذا اضمحللت البروتونات، فسيستغرق الأمر حوالي 10 مليار تريليون تريليون سنة. لكن بيشاي قال إن كاشفات النيوترينو يمكنها البحث عن علامات مختلفة لاضمحلال البروتون. “إذا كانت هذه النظريات التوحيدية الكبرى صحيحة، فسيكون لدينا فرصة لرؤيتها.”

مشروع طموح

يوجد حاليًا العديد من مشاريع النيوترينو حول العالم، بما في ذلك مجمع أبحاث مسرع البروتون الياباني (J-PARK) والمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN).

ما يجعل DUNE فريدًا هو استخدامه للأرجون والمسافات الطويلة بين أجهزة الكشف القريبة والبعيدة.

المشروع يعاني من بعض النكسات في الميزانية والجدول الزمني، العلمية الأمريكية تم الإعلان عنه في عام 2022. يجب أن يحتوي على أربعة كاشفات للأرجون ولكن يبدأ بجهازين.

وقال بشاي إن الأول سيتم تشغيله بحلول نهاية عام 2028، مع كاشف ثان في العام المقبل. وستكون موجودة في حالة انفجار مستعر أعظم، لكن منطقة الشعاع لن تكون جاهزة حتى عام 2031.

وبالتعاون مع حوالي 1400 شخص من 36 دولة، يعتقد بيشاي أن المشروع قد حقق بالفعل أحد أكبر إنجازاته. وقالت: “إنه علم عظيم”. “إنه علم دولي كبير.”