تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

تعتبر فيزياء النيوترينو إحدى أهمّ المجالات الأكثر تطوراً في فيزياء الطاقة العالية والجسيمات الأولية، خصوصاً بعد النجاح الكبير الذي حققته الدراسات التجريبية لخواص النيوترينو.

ما هي النيوترينوات؟

النيوترينوات هي جسيماتٌ أولية (دون ذرية) تشكلت معظمها قبل حوالي 15 مليار سنة، بعد تشكل الكون، حيث ساهم تسخين وتبريد الأرض المستمر في تكوين النيوترينوات منذ ذلك الحين.

اكتشاف النيوترينوات

يعزى اكتشاف النيوترينوات في الفيزياء إلى اكتشاف النشاط الإشعاعي من قبل العالم بكرل Becquerel لأكثر من قرنٍ مضى، فعندما قيست طاقة الإلكترونات الصادرة من التفكك الإشعاعي بيتا من قبل العالم شادويك Chadwick عام 1914 وجد أنها ذات توزعٍ طاقي مستمر.

لم يكن ذلك متوقعاً لأنه في حالة التفكك الإلكتروني تتحول النواة X إلى نواة Y مصدرةً إلكترون بيتا الذي ينبغي أن يكون وحيد الطاقة، وهذه النتيجة حيرت العلماء، مما دفع العالم بور Bohr إلى اقتراح أن انحفاظ الطاقة لا يكون محققاً في حالة تفكك بيتا التي تخضع للتفاعلات الضعيفة، فقد كان آنذاك يفترض أن النواة مؤلفةٌ من البروتونات، والإلكترونات.

إلى أن تمّ حل اللغز على يد العالم باولي Pauli عام 1930 الذي افترض أن وجود جسيمٍ أسماه النيوترون (Neutron) معتدل كهربائياً، وكتلته أقل من كتلة الإلكترون، وبناءً على ذلك يجب أن يصدر عن عملية التفكك الإلكتروني جسيمين هما الإلكترون، والنيوترون، وبالتالي يكون الطيف الطاقي مستمراً.

عندما اكتشف العالم شادويك النيوترون الحقيقي عام 1932، والذي كتلته مقاربةً لكتلة البروتون، وبناءً على هذا الاكتشاف اعتبر أن مكونات النواة هي البروتونات والنيوترونات، وأن الإلكترونات لا تعتبر من مكونات النواة، ولكن يمكن أن تنتج من خلال عمليات التفكك الإشعاعي.

ولتفسير طيف جسيمات بيتا في التفاعلات الضعيفة قام العالم فيرمي Fermi بتسمية جسيمة باولي الافتراضية بالنيوترينو (Neutrino) تصغيرا للنيوترون. في عام 1957 افترض نيشيجيما (Nishijima) بضرورة أن يكون النيوترينو عديم الكتلة، وظلت هذه الفرضية سائدةً على مدى نصف قرن تقريباً إلى أن أثبتت تجارب تذبذب النيوترينو بطلان هذه الفرضية عام 2002. ^[1]

ما هي خصائص النيوترينوات؟

تتصف النيوترينوات بعدة خصائص: ^[2]

1- جسيمات أولية (دون ذرية) سرعتها تساوي سرعة الضوء.

2- ليس لها شحنة كهربائية.

3- كتلتها صغيرة جداً، ورغم ذلك هي من أكثر الجسيمات وفرةً في الطبيعة.

4- تعدُّ من الفرميونات لأنها تمتلك لفاً ذاتياً مساوياً النصف.

5- تساهم بالتفاعلات الضعيفة.

6- لكل نيوترينو جسيمٌ مقابلٌ له يدعى نيوترينو مضاد.

ما هي مصادر النيوترينوات؟

هناك العديد من المصادر التي تنتج النيوترينوات منها المصادر الطبيعية: (الجو، الشمس، النجوم)، ومصادر صنعية (المفاعلات، والمُسرعات).

1- النيوترينو الجوي (Atmospheric Neutrino)

الأشعة الكونية الصادرة من الشمس والكواكب الأخرى في المجرة غالباً ما تتألف من بروتوناتٍ عالية الطاقة من رتبة جيغا إلكترون فولت (GeV)، وعندما تتصادم هذه البروتونات مع نوى النيتروجين والأوكسجين الموجودين في طبقات الجو العليا (على ارتفاع 300 كيلومتر تقريباً) تنتج العديد من الجسيمات في الغلاف الجوي.

كالبيونات التي تتفكك بالقرب من سطح الأرض منتجةً الميونات، والنيوترينو الميوني، وينتج عن تفكك البيونات النيوترينو الإلكتروني. تغطي النيوترينوات الجوية مجالاً واسعاً من الطاقات، وبالرغم من أن تدفقها يتناقص بشدة إلا أنه يمكن ملاحظة نيوترينوات تصل طاقتها إلى تيرا إلكترون فولت (TeV). ^[3]

2- النيوترينو الشمسي (Solar Neutrino)  

الشمس هي المصدر الرئيسي للنيوترينوات القادمة إلى سطح الأرض، تقريباً 10¹² نيوترينو إلكتروني ناتج عن التفاعلات الشمسية يمرُّ خلال أجسامنا في كل ثانية، وتستغرق النيوترينوات الشمسية حوالي ثمانية دقائق لتصل إلى الأرض. طيف النيوترينوات الصادرة عن الشمس أكثر تعقيداً من أي مصدرٍ آخر بسبب تعدّد التفاعلات النووية التي تحدث في الشمس.

فالمصدر PP يمثل سلسلةً من التفاعلات التي تبدأ باندماج بروتونين في الشمس مع بعضهما، وتنتهي السلسلة بإنتاج الهليوم، وهي من أهمّ التفاعلات الرئيسة التي تحدث في اللب الشمسي، ويعتبر من أهمّ مصادر النيوترينوات الناتجة عن التفاعلات الشمسية. ^[4]

ما هي مصادر النيوترينوات الناتجة عن التفاعلات الشمسية؟

● المصدر pp: حيث ينتج عن تفاعل بروتونين في الشمس نواة الديتيريوم، وبوزيترون، والنيوترينو الإلكتروني، وتكون طاقة النيوترينوات الصادرة عن هذا التفاعل حوالي 0.2 ميغا إلكترون فولت،تخرج إلى الفضاء الخارجي.

● المصدر pep: يحدث تفاعل بين بروتونين وإلكترون، وينتج عن ذلك نواة الديتيريوم والنيوترينو الإلكتروني، والنيوترينوات الناتجة عن هذا التفاعل أحادية الطاقة.

● المصدرhep: يتفاعل البروتون مع الهليوم He-3 لينتج النظير الهليوم He-4، وبوزيترون، ونيترينو إلكتروني.

يصدر عن التفاعل السابق نيوترينوات تبلغ طاقتها القيمة الأكبر في الطيف الشمسي، وتساوي 18.77 ميغا إلكترون فولت.

3- نيوترينو السوبرنوفا (Supernova)

ظاهرة السوبرنوفا هي نتيجة الانفجارات العنيفة التي تحدث في نوى النجوم الضخمة بسبب الارتفاع الكبير في درجة حرارة النجم، والضغط الكبير الناتج عن قوى التجاذب بين ذرات الهيدروجين المكون الأساسي للنجم. في بداية انهيار النجم يكون نصف عدد النيكلونات الموجودة في نواة النجم من البروتونات p، وأثناء انفجار النجم تتحول هذه البروتونات p إلى نيوترونات n، ويرافق ذلك إنتاج النيوترينو الإلكتروني.

يكون عدد النيوترينوات الإلكترونية الناتجة أثناء الانفجار 10⁵⁷ نيوترينو، ومتوسط طاقتها 10 ميغا إلكترون فولت. يعقب الانفجار توازنٌ حراري لا يشمل البروتونات، والنيوترونات، والإلكترونات فقط، وإنما أيضا أزواج (إلكترون، بوزيترون) وفوتونات، بالإضافة إلى نيوترينوات ونيوترينوات مضادة.

في انفجارات السوبرنوفا العنيفة 99 بالمئة من الطاقة المحررة تُحمل إلى الفضاء الخارجي بعيداً عن النجم بواسطة النيوترينوات. كشف الفيزيائيون نيوترينو السوبرنوفا لأول مرة عام 1987 عند انفجار نجمٍ في مجرة سحابة ماجيلان الكبيرة (Large Magellanic Cloude) المجرة الأقرب إلى مجرة درب التبان، والتي تبعد عنها مسافة 150000 سنة ضوئية. ^[5]

4- نيوترينو المُسرّع (Accelerator Neutrino)

ينتج عن المُسرّعات حزمٌ من النيوترينوات عالية الكثافة، نتيجة تفاعلاتٍ عالية الطاقة في الهدف، الذي يُنتج ميزونات تتفكك عن طريق التفاعلات الضعيفة لتنتج حزم من النيوترينو التاوي تقع طاقتها ضمن المجال (1-10) جيغا إلكترون فولت.

5- نيوترينو المفاعل (Reactor Neutrino)

تنتج عن تفاعلات الانشطار النووي في المفاعلات حزمٌ من النيوترينو بسهولةٍ وتدفقٍ عال، لذلك تعتبر المفاعلات أداةً مهمةً لدراسة خصائص النيوترينو، وإن معرفة تركيب الوقود النووي المستخدم يسمح بتحديد القيمة المتوقعة لتدفق النيوترينو.