اكتشاف نيوترينو شبح كوني بقوة غير مسبوقة

اكتشاف جسيم شبح غير مسبوق في البحر الأبيض المتوسط

عثر علماء الفلك الذين يستخدمون شبكة عملاقة من أجهزة الاستشعار، التي لا تزال قيد الإنشاء في قاع البحر الأبيض المتوسط، على "جسيم شبح" كوني عالي الطاقة تم اكتشافه على الإطلاق.

ما هو النيوترينو؟

والنيوترينو، كما يُعرف هذا الجسيم رسمياً، أكثر طاقة بمقدار 30 مرة من أي من بضع مئات من النيوترينوات المكتشفة سابقاً.

وغالباً ما يُشار إلى هذه الجسيمات الصغيرة عالية الطاقة القادمة من الفضاء باسم "الشبحية" لأنها متطايرة للغاية، أو بخارية، ويمكنها المرور عبر أي نوع من المواد دون أن تتغير. ولا تمتلك النيوترينوات التي تصل إلى الأرض من أقاصي الكون، أي كتلة تقريباً. وتنتقل هذه الجسيمات عبر أكثر البيئات تطرفاً، بما في ذلك النجوم والكواكب والمجرات بأكملها، ومع ذلك تظل بنيتها سليمة.

نُشر يوم الأربعاء تحليل للنيوترينو أعده فريق KM3NeT Collaboration، الذي يضم أكثر من 360 عالماً من جميع أنحاء العالم، في مجلة نيتشر.

أهمية النيوترينوات في علم الفلك

وقالت المؤلفة المشاركة في الدراسة روزا كونيغليوني، نائبة المتحدثة باسم KM3NeT والباحثة في المعهد الوطني للفيزياء النووية في إيطاليا (INFN) في بيان لها: "النيوترينوات... هي رسل كونية خاصة، حيث تقدم لنا معلومات فريدة عن الآليات التي تنطوي عليها أكثر الظواهر نشاطاً وتسمح لنا باستكشاف أبعد ما في الكون".

طاقة النيوترينو القياسية

وقد بلغت طاقة النيوترينو الذي حطم الرقم القياسي، والذي يحمل اسم KM3-230213A، 220 مليون مليار إلكترون فولت. وهذه الكمية المذهلة تجعله أقوى بحوالي 30,000 مرة مما يقدر عليه مسرع الجسيمات في مصادم الهدرونات الكبير في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (سيرن) بالقرب من جنيف بسويسرا - المعروف بشحن الجسيمات إلى ما يقرب من سرعة الضوء - وفقاً لمؤلفي الدراسة.

وقال الدكتور براد ك. جيبسون المؤلف المشارك في الدراسة في رسالة بالبريد الإلكتروني: "إحدى الطرق التي أحب أن أفكر بها في الأمر هي أن طاقة هذا النيوترينو الواحد تعادل الطاقة المنبعثة من انقسام ليس ذرة يورانيوم واحدة، أو عشر ذرات من هذا القبيل، أو حتى مليون منها". "إن طاقة هذا النيوترينو الصغير الواحد تعادل الطاقة المنطلقة من انقسام مليار ذرة يورانيوم. وهو رقم محيّر للعقل عندما نقارن طاقات مفاعلات الانشطار النووي لدينا بهذا النيوترينو الأثيري الواحد."

مصادر النيوترينوات عالية الطاقة

ويقدم هذا الجسيم بعض الأدلة الأولى على أن مثل هذه النيوترينوات عالية الطاقة يمكن أن تنشأ في الكون. ويعتقد الفريق أن النيوترينو جاء من خارج مجرة درب التبانة، لكنهم لم يحددوا بعد نقطة نشأته على وجه الدقة، وهو ما يثير التساؤل حول ما الذي أوجد النيوترينو وأرسله ليطير عبر الكون في المقام الأول - ربما بيئة متطرفة مثل ثقب أسود فائق الكتلة أو انفجار أشعة جاما أو بقايا مستعر أعظم.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة باسكال كويل، المتحدث باسم KM3NeT والباحث في المركز الوطني للبحوث العلمية - مركز فيزياء الجسيمات في مرسيليا في فرنسا، إن هذا الاكتشاف الرائد يفتح فصلاً جديداً من علم الفلك النيوترينو، فضلاً عن نافذة رصد جديدة في الكون.

تقنيات الكشف عن النيوترينوات

وقال كويل: "لقد بدأ KM3NeT في سبر نطاق من الطاقة والحساسية حيث يمكن أن تنشأ النيوترينوات المكتشفة من ظواهر فيزيائية فلكية متطرفة".

{{MEDIA}}

من الصعب اكتشاف النيوترينوات لأنها لا تتفاعل غالباً مع محيطها - لكنها تتفاعل مع الجليد والماء. عندما تتفاعل النيوترينوات مباشرة مع أجهزة الكشف، فإنها تشع ضوءاً مزرقاً يمكن التقاطه بواسطة شبكة قريبة من أجهزة الاستشعار البصرية الرقمية المدمجة في الجليد أو العائمة في الماء.

فعلى سبيل المثال، يشتمل مرصد IceCube للنيوترينو في القطب الجنوبي على شبكة من أكثر من 5000 جهاز استشعار مدمجة في جليد القطب الجنوبي. ويعمل هذا الكاشف منذ عام 2011، وقد اكتشف مئات النيوترينوات. وقد تمكّن العلماء من تعقب بعضها إلى مصادرها الكونية، مثل النجم البازجي أو النواة الساطعة لمجرة نشطة.

ابتكر فريق دولي فكرة إنشاء شبكة من أجهزة الكشف في أوائل عام 2010 - تُعرف باسم تلسكوب الكيلومتر المكعب للنيوترينو أو KM3NeT - والتي قد تكون قادرة على التقاط النيوترينوات في أعماق المحيط. بدأ تركيب الشبكة في عام 2015.

وقد حقق تلسكوب KM3NeT هذا الاكتشاف القياسي في 13 فبراير 2023، عندما أضاء الجسيم أحد جهازي الكشف الخاصين به. ويقع جهاز ARCA، أو أبحاث الجسيمات الفلكية مع الكونيّات في الهاوية، على عمق 11,319 قدمًا (3,450 مترًا)، بينما يقع ORCA، أو أبحاث التذبذب مع الكونيّات في الهاوية، على عمق 8,038 قدمًا (2,450 مترًا) في قاع البحر الأبيض المتوسط.

وقد صُمم كاشف ARCA، قبالة ساحل صقلية بالقرب من كابو باسيرو بإيطاليا، لالتقاط النيوترينوات عالية الطاقة، في حين أن ORCA، بالقرب من تولون في جنوب شرق فرنسا، مخصص للبحث عن النيوترينوات منخفضة الطاقة.

ولا يزال جهاز KM3NeT، الذي يتضمن شبكة من أجهزة الاستشعار المثبتة في قاع البحر، قيد الإنشاء. لكن ما يكفي من أجهزة الكشف كانت موجودة في مكانها لالتقاط النيوترينو عالي الطاقة، كما قال مؤلفو الدراسة.

الطاقة الكامنة في النيوترينو

كان كاشف ARCA يعمل بـ 10% فقط من مكوناته المخطط لها عندما تتبع الجسيم مساراً أفقياً تقريباً عبر التلسكوب بأكمله، مما أدى إلى إطلاق إشارات في أكثر من ثلث أجهزة الاستشعار النشطة. وسجل الكاشف أكثر من 28,000 فوتون من الضوء الناتج عن الجسيم المشحون.

إذا تم تحويل الطاقة الموجودة داخل النيوترينو لفهمنا للأشياء اليومية، فإنها ستبلغ 0.04 جول، أو طاقة كرة تنس الطاولة التي تسقط من ارتفاع 3.28 قدم (1 متر)، كما قال المؤلف المشارك في الدراسة آرت هيجبوير، منسق الفيزياء في KM3NeT والأستاذ في المعهد الوطني الهولندي للفيزياء دون الذرية، أو NIKHEF، وجامعة أمستردام في هولندا.

وقال إن هذه الكمية يمكن أن تشغل ضوء LED صغير لمدة ثانية واحدة تقريبًا.

"لذا فهي ليست كمية كبيرة من الطاقة بالنسبة للأجسام اليومية، لكن حقيقة أن مثل هذا التشبيه مع العالم اليومي ممكن حتى، هو أمر رائع في حد ذاته. فقد كانت كل هذه الطاقة موجودة في جسيم أولي واحد".

{{MEDIA}}

على مقياس الجسيمات، يعتبر النيوترينو فائق الطاقة، حيث تبلغ طاقته حوالي مليار مرة 100 مليون مرة طاقة فوتونات الضوء المرئي، وفقًا لمؤلفي الدراسة.

ويسمح اكتشاف النيوترينوات على الأرض للباحثين بتتبعها إلى مصادرها. ويمكن لفهم مصدر هذه الجسيمات أن يكشف المزيد عن أصل الأشعة الكونية الغامضة، التي لطالما اعتُقد أنها المصدر الرئيسي للنيوترينوات عندما تضرب الأشعة الغلاف الجوي للأرض.

تقصف الأشعة الكونية، وهي الجسيمات الأكثر طاقة في الكون، الأرض من الفضاء. وتتكون هذه الأشعة في الغالب من البروتونات أو النوى الذرية، وتُطلق هذه الأشعة عبر الكون لأن ما ينتجها هو مسرع جسيمات قوي لدرجة أنه يقزم قدرات مصادم الهدرونات الكبير. يمكن للنيوترينوات أن تفيد علماء الفلك حول مصدر الأشعة الكونية وما الذي يطلقها عبر الكون.

ويعتقد الباحثون أن شيئاً قوياً أطلق العنان للنيوترينو المكتشف حديثاً، مثل انفجار أشعة غاما أو تفاعل الأشعة الكونية مع فوتونات من الخلفية الكونية الميكروية التي هي بقايا إشعاع من الانفجار الكبير قبل 13.8 مليار سنة.

وخلال الدراسة، حدد المؤلفون أيضاً 12 نجم بليزر محتمل قد يكون مسؤولاً عن تكوين النيوترينو. وتتوافق هذه النجوم البليزارية مع الاتجاه المقدر الذي انتقل منه الجسيم استناداً إلى البيانات التي جمعتها أجهزة الكشف والبيانات المرجعية من تلسكوبات أشعة غاما والأشعة السينية والراديو. ولكن هناك حاجة إلى مزيد من البحث.

{{MEDIA}}

قال إيريك ك. بلاوفوس، عالم الأبحاث وعالم الفيزياء الفلكية للجسيمات في قسم الفيزياء في جامعة ميريلاند، كوليدج بارك، في مقال مصاحب: "تفشل العديد من عمليات الكشف عن النوترينو الكوني في إظهار ارتباطات قوية مع الأجسام المفهرسة، ربما تشير إلى مجموعات مصادر بعيدة جداً عن الأرض، أو تشير إلى نوع لم يُكتشف بعد من الأجسام الفيزيائية الفلكية". لم يشارك بلاوفوس في الدراسة.