يعد المشروع 8 علامة فارقة مهمة في قياس كتلة النيوترينوات. النيوترينوات هي جسيمات دون ذرية مراوغة تتحرك بسهولة عبر المادة العادية وتلعب دورًا مهمًا في الجسيمات التي يتكون منها عالمنا. لتفسير كيفية تشكل الكون بشكل كامل، نحتاج إلى معرفة كتلته. ولكن، مثل الكثيرين منا، فإنه يجد طرقًا لتجنب الوزن.
في عام 2022، حدد فريق بحث KATRIN الحد الأعلى لمدى ثقل النيوترينو. وكان هذا الإنجاز التاريخي نتيجة عقود من العمل الشاق. لكن هذه النتائج تؤدي فقط إلى تضييق نافذة البحث. ستصل كاترين قريبًا إلى حد الكشف المستهدف بل وتتجاوزه يومًا ما، لكن النيوترينوات ذات وزن الريشة قد تكون أخف وزنًا، مما يطرح السؤال: "ما هي الخطوة التالية؟ ما هي الخطوة التالية؟"
يعد التحليل الطيفي للانبعاث الإشعاعي للسيكلوترون (CRES) الموجود هنا هو المفتاح لنهج جديد تمامًا يهدف إلى تحديد كتلة النيوترينو بعيد المنال. المصدر: أليك ليندمان، فريق المشروع 8
تتبع الجسيمات الشبحية
في أحدث الأبحاث، أفاد فريق المشروع 8 في مجلة Physical Review Letters أنه يمكنهم استخدام تقنية جديدة تمامًا لتتبع وتسجيل ظاهرة طبيعية تسمى اضمحلال بيتا. عندما يضمحل نوع مشع نادر من الهيدروجين - التريتيوم - إلى ثلاث جسيمات دون ذرية: أيونات الهيليوم، والإلكترونات، والنيوترينوات، يطلق كل اضمحلال كمية ضئيلة من الطاقة.
يعتمد النجاح النهائي للمشروع 8 على خطة طموحة. وبدلاً من محاولة اكتشاف النيوترينوات بشكل مباشر -والتي يمكن أن تمر عبر معظم تقنيات الكشف دون صعوبة- استخدم الفريق استراتيجية قياس بسيطة يمكن تلخيصها على النحو التالي:
أخبرنا أينشتاين أن الكتلة الإجمالية لذرة التريتيوم تساوي طاقة أجزائها. عندما نقيس الإلكترونات الحرة الناتجة عن اضمحلال بيتا، فإننا نعرف الكتلة الإجمالية، والطاقة "المفقودة" هي كتلة النيوترينو وحركته. قال برنت فانديفيندر، أحد الباحثين الرئيسيين في المشروع 8 في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني التابع لوزارة الطاقة: "من حيث المبدأ، مع تطور التكنولوجيا وتوسيع نطاقها، قد يكون من الممكن الوصول إلى النطاق المطلوب لتحديد كتلة النيوترينو".
لماذا المشروع 8؟
اختار هؤلاء الباحثون متابعة هذه الإستراتيجية الطموحة لأنهم فحصوا الإيجابيات والسلبيات وخلصوا إلى أنها مجدية.
ثاليا فايس هي طالبة دراسات عليا في الفيزياء النووية بجامعة ييل. لقد أمضت هي وزملاؤها في المشروع 8 سنوات في دراسة كيفية التمييز بدقة بين الإشارات الإلكترونية والضوضاء الخلفية الإلكترونية. كريستين كلايسنس هي باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة واشنطن. حصلت على درجة الدكتوراه من المشروع 8 في جامعة ماينز في ألمانيا. أجرى فايس وكلايسنس تحليلين نهائيين، ووضعا القيود الأولى على كتل النيوترينو المستمدة من التقنية الجديدة.
قال فايس: "النيوترينو خفيف بشكل لا يصدق. فهو أخف من الإلكترون بأكثر من 500000 مرة. لذلك عندما يتم إنتاج النيوترينو والإلكترون في نفس الوقت، فإن كتلة النيوترينو لها تأثير ضئيل على حركة الإلكترون. نريد أن نرى هذا التأثير الصغير. لذلك نحن بحاجة إلى طريقة فائقة الدقة لقياس مدى سرعة الإلكترون". تتحرك."
يعتمد المشروع 8 على مثل هذه التكنولوجيا، التي ابتكرها قبل أكثر من عقد من الزمان الفيزيائيان جو فورماجيو وبن مونريال، وكلاهما كانا يعملان في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. اجتمع فريق دولي حول الفكرة وشكل المشروع 8 لتحويل الفكرة إلى أداة عملية. وتسمى الطريقة الناتجة التحليل الطيفي للانبعاث الإشعاعي للسيكلوترون (CRES). فهو يلتقط إشعاع الميكروويف المنبعث من الإلكترونات حديثة الولادة أثناء دورانها في مجال مغناطيسي. تحمل هذه الإلكترونات معظم، وليس كل، الطاقة المنطلقة أثناء اضمحلال بيتا. هذه الطاقة المفقودة هي التي تكشف كتلة النيوترينو. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام تقنية CRES لقياس تحلل بيتا للتريتيوم ووضع حد أعلى لكتلة النيوترينوات.
كيف يزن العلماء النيوترينوات؟ مصدر الصورة: رسوم متحركة من إنتاج سارة ليفين من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني
الأساليب والتحديات المبتكرة
كان الفريق مهتمًا فقط بتتبع هذه الإلكترونات لأن طاقتها هي المفتاح للكشف عن كتلة النيوترينو. على الرغم من أن هذه الإستراتيجية قد تم استخدامها من قبل، إلا أن طاقة الإلكترون التي يتم قياسها بواسطة كاشف CRES تعد بالغة الأهمية لدرجة أن إمكانات قابليتها للتوسع تتجاوز أي تقنية موجودة. وقابلية التوسع هذه هي ما يميز المشروع 8. إليز نوفيتسكي هي أستاذة مساعدة في جامعة واشنطن وقادت العديد من جوانب العمل المنشور حديثًا.
"لا أحد يفعل هذا. نحن لا نأخذ التكنولوجيا الحالية ونحاول تعديلها قليلاً. نحن نعيش نوعًا ما في الغرب المتوحش."
في أحدث تجربة في جامعة واشنطن في سياتل، قام الفريق بتتبع 3770 حدثًا لتحلل بيتا التريتيوم في خلية عينة بحجم حبة البازلاء على مدار نافذة تجريبية مدتها 82 يومًا. يتم تبريد خلية العينة بالتبريد ووضعها في مجال مغناطيسي يلتقط الإلكترونات الناشئة لفترة طويلة، مما يسمح لهوائي التسجيل الخاص بالنظام بتسجيل إشارة الميكروويف.
والأهم من ذلك، أن الفريق لم يسجل أي إشارات كاذبة أو أحداث خلفية لا يمكن الخلط بينها وبين إشارات حقيقية. وهذا أمر مهم لأنه حتى الخلفية الصغيرة جدًا يمكن أن تحجب إشارة كتلة النيوترينو، مما يجعل تفسير الإشارة المفيدة أكثر صعوبة.
قام الباحثون في المشروع 8، بقيادة الفيزيائي التجريبي نوح أوبلاث من PNNL، أيضًا بتطوير مجموعة من البرامج المتخصصة - تم تسمية كل منها على اسم حشرات مختلفة - لأخذ البيانات الأولية وتحويلها إلى إشارات يمكن تحليلها. ارتدى مهندسو المشروع أيضًا قبعاتهم الترقيعية واخترعوا أجزاء مختلفة لإنجاح المشروع 8.
قال نوفيتسكي: "مهندسونا مهمون لهذا العمل. من وجهة نظر مهندس، هذا هو نهج الشخص العادي. الفيزياء التجريبية هي واجهة الفيزياء والهندسة. يجب أن يتطلب الأمر مهندسين مغامرين وفيزيائيين ذوي عقلية عملية لجعل هذه الأشياء حقيقة، لأن هذه الأشياء ليست في الكتب المدرسية."
الآن بعد أن أثبت فريق البحث أن تصميمهم ونظامهم التجريبي يمكن أن يعمل مع جزيئات التريتيوم، فإن أمامهم مهمة عاجلة. يعمل جزء من الفريق على الخطوة التالية: بناء نظام يمكنه توليد وتبريد والتقاط ذرات التريتيوم الفردية. تعتبر هذه الخطوة صعبة لأن التريتيوم، مثل ابن عمه الأكثر وفرة، الهيدروجين، يفضل تكوين جزيئات. ستجعل هذه الجزيئات الهدف النهائي لفريق المشروع 8 مستحيل التحقيق. يقوم الباحثون، بقيادة فيزيائيين من جامعة ماينز، بتطوير سرير اختبار لإنشاء والتقاط التريتيوم الذري باستخدام مجموعة معقدة من المغناطيسات. وهذا يمنع التريتيوم الذري من ملامسة جدران خلايا العينة - حيث أنه سيعود بالتأكيد إلى شكله الجزيئي عند جدار الخلية.
سيكون التقدم في هذه التكنولوجيا، إلى جانب ترقيات الأداة بأكملها، بمثابة خطوات حاسمة للوصول إلى الحساسية التي حققها فريق KATRIN وتجاوزها في نهاية المطاف.
يقوم حاليًا فريق بحث مكون من أعضاء من عشر مؤسسات بحثية باختبار تصميمات لتوسيع نطاق التجارب من غرفة عينة بحجم حبة البازلاء إلى غرفة أكبر بألف مرة. تتمثل الفكرة في استخدام أجهزة استماع أكبر لالتقاط المزيد من أحداث اضمحلال بيتا - بدءًا من حجم حبة البازلاء وحتى حجم كرة الشاطئ.
قال أوبلاث: "المشروع 8 ليس فقط تجربة أكبر وأفضل لـ CRES، بل هو أول تجربة لـ CRES وأول من يستخدم هذا النوع من تكنولوجيا الكشف". "لم يتم القيام بذلك من قبل. معظم التجارب عمرها 50 أو 100 عام، على الأقل تقنية الكشف التي يستخدمونها، وهذا جديد حقًا."