الثبات ـ منوعات

كشف باحثون عن وميض خزان من أنقى المياه، دفن تحت كيلومترات من الصخور في أونتاريو بكندا، بينما اصطدم جسيم بالكاد يمكن اكتشافه من خلال جزيئاته.

وهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام الماء للكشف عن جسيم يعرف باسم مضاد النيترينو، والذي نشأ من مفاعل نووي يبعد أكثر من 240 كيلومترا (150 ميلا). ويعد هذا الاختراق المذهل بتجارب النيوترينو وتقنية المراقبة التي تستخدم مواد غير مكلفة وسهل الحصول عليها وآمنة.

وباعتبارها من أكثر الجسيمات وفرة في الكون، فإن النيوترينوات هي أشياء صغيرة غريبة لديها الكثير من الإمكانات للكشف عن رؤى أعمق للكون. ولسوء الحظ، هي عديمة الكتلة تقريبا، ولا تحمل أي شحنة، وبالكاد تتفاعل مع الجسيمات الأخرى على الإطلاق. وتتدفق في الغالب عبر الفضاء والصخور على حد سواء، كما لو كانت كل المواد غير جوهرية، لذا يطلق عليها اسم الجسيمات الأشباح.

ويعرف Antineutrinos بأنه نظير الجسيمات المضادة للنيوترينوات. عادة، يكون للجسيم المضاد شحنة معاكسة لمكافئ الجسيم؛ الجسيم المضاد للإلكترون سالب الشحنة، على سبيل المثال، هو البوزيترون الموجب الشحنة. ونظرا لأن النيوترينوات لا تحمل شحنة، يمكن للعلماء التمييز بين الاثنين فقط بناء على حقيقة أن إلكترون نيوترينو سيظهر إلى جانب البوزيترون، بينما يظهر إلكترون مضاد النيترينو مع إلكترون.

وتنبعث مضادات النيترينو الإلكترونية أثناء تحلل بيتا النووي، وهو نوع من الاضمحلال الإشعاعي يتحلل فيه النيوترون إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو. ويمكن أن يتفاعل أحد هذه الإلكترونات المضادة للنيوترينوات مع بروتون لإنتاج بوزيترون ونيوترون، وهو تفاعل يُعرف باسم اضمحلال بيتا العكسي.

وتستخدم خزانات كبيرة مملوءة بالسائل ومبطنة بأنابيب مضاعفة ضوئية للكشف عن هذا النوع المعين من الانحلال. وتم تصميمها لالتقاط التوهج الخافت لإشعاع Cherenkov الناتج عن الجسيمات المشحونة التي تتحرك أسرع من الضوء الذي يمكن أن ينتقل عبر السائل، على غرار الطفرة الصوتية الناتجة عن كسر حاجز الصوت.

ويتم إنتاج مضادات النيترينو بكميات هائلة بواسطة المفاعلات النووية، لكنها منخفضة الطاقة نسبيا، ما يجعل من الصعب اكتشافها.

وأدخل SNO +. مدفون تحت أكثر من كيلومترين (1.24 ميل) من الصخور، إنه أعمق مختبر تحت الأرض في العالم. ويوفر هذا التدريع الصخري حاجزا فعالا ضد تداخل الأشعة الكونية، ما يسمح للعلماء بالحصول على إشارات تم حلها جيدا بشكل استثنائي.

اليوم، يتم تعبئة الخزان الكروي في المختبر الذي يبلغ وزنه 780 طنا بألكيل بنزين الخطي، وهو سائل وامض يضخم الضوء. مرة أخرى في عام 2018، بينما كانت المنشأة تخضع للمعايرة، كانت مليئة بالمياه عالية النقاء.

ومن خلال التمشيط خلال 190 يوما من البيانات التي تم جمعها خلال مرحلة المعايرة تلك في عام 2018، وجد تعاون SNO + دليلا على تحلل بيتا معكوس. ويتم التقاط النيوترون الناتج خلال هذه العملية بواسطة نواة الهيدروجين في الماء، والتي بدورها تنتج إزهارا خفيفا من الضوء عند مستوى طاقة محدد للغاية، 2.2 ميغا إلكترون فولت.

وتكافح أجهزة الكشف عن المياه Cherenkov بشكل عام للكشف عن الإشارات التي تقل عن 3 ميغا إلكترون فولت؛ لكن SNO + المليء بالماء كان قادرا على اكتشاف ما يصل إلى 1.4 ميغا إلكترون فولت. وينتج عن هذا كفاءة تبلغ حوالي 50% لاكتشاف الإشارات عند 2.2 ميغا إلكترون فولت، لذلك اعتقد الفريق أن الأمر يستحق حظهم في البحث عن علامات اضمحلال بيتا المعكوس.

وحدد تحليل لإشارة مرشح أنه من المحتمل أن تكون ناتجة عن مضاد نيوترينو، بمستوى ثقة 3 سيغما - احتمال 99.7%.

وتشير النتيجة إلى أنه يمكن استخدام أجهزة الكشف عن المياه لمراقبة إنتاج الطاقة للمفاعلات النووية.

وفي الوقت نفسه، يتم استخدام SNO + للمساعدة على فهم النيوترينوات ومضادات النوترينوات بشكل أفضل. ونظرا لأن من المستحيل قياس النيوترينوات بشكل مباشر، فإننا لا نعرف الكثير عنها. وإن أحد أكبر الأسئلة هو ما إذا كانت النيوترينوات ومضادات النوترينوات هي نفس الجسيمات بالضبط. ومن شأن انحلال نادر لم يسبق له مثيل أن يجيب على هذا السؤال. ويبحث SNO + حاليا عن هذا الانحلال.

ويقول الفيزيائي لوجان ليبانوفسكي من معهد SNO + وجامعة كاليفورنيا في بيركلي: "تثير اهتمامنا إمكانية استخدام الماء النقي لقياس مضادات النيترينو من المفاعلات وعلى مسافات شاسعة. بذلنا جهدا كبيرا لاستخراج عدد قليل من الإشارات من 190 يوما من البيانات. والنتيجة مرضية".

وقد نُشر البحث في مجلة Physical Review Letters.