الفيزيائيون يحققون أصغر قياس حتى الآن لكتلة جسيم شبح!

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 كيلوغرام في الكتلة المترية، وصغيرة جدا.

وعلى الرغم من أننا ما زلنا لا نملك قياسا دقيقا، إلا أن تضييقه يجعلنا أقرب إلى فهم هذه الجسيمات الغريبة، والدور الذي تلعبه في الكون، وتأثيرها على نظرياتنا الحالية في الفيزياء.

وتم تحقيق الإنجاز في تجربة Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) في ألمانيا.

وكتب الباحثون في ورقتهم المنشورة في فبراير 2022: "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". 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.

وهذا هو السبب في أننا نسميها جزيئات الأشباح. كما أنه يجعل من الصعب للغاية اكتشافها. لدينا 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.

إقرأ المزيد

الشمس تطلق وابلا من التوهجات الشمسية القوية مع توقع المزيد في الأيام المقبلة

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.

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".

وقد نُشرت النتائج في مجلة Nature Physics.

المصدر: ساينس ألرت