النيوترينو (بالإنجليزية: Neutrino)‏ يعتبر جسيم أولي بكتلة أصغر كثيرا من كتلة الإلكترون، وليست له شحنة كهربائية.

تم استنتاج وجود النيوترينوبسبب ظاهرة تحلل بعض النظائر المشعة من خلال إطلاق أشعة بيتا التي يعد محتواها إلكترونات عدة.

فعند تحلل العنصر المشع إلى عنصر آخر يحدث فقد معين في الطاقة، هذا الفقد في الطاقة هوتعبير عن الفرق بين طاقة العنصر المشع، وطاقة العنصر الناتج. والمفروض، لاحترام قانون عدم فناء الطاقة، حتى يحمل الإلكترون -المنطلق من نواة الذرة والخارج على هيئة شعاع من أشعة بيتا - حتى يحمل هذا الفرق في الطاقة، ولكن القياسات تبين، حتى الإلكترون يحمل طاقة أقل من الطاقة المفروضة خلال التحلل، لهذا افترض العالم فولفغانغ باولي عام 1930 وجود جسيم صغير يحمل تلك الطاقة الناسيرة التي لا نراها وأطلق عليه اسم "نيوترينو" حيث أنه لا يحمل شحنة كهربية.

استغرق الفهماء وقتاً طويلاً حتى استطاعوا اكتشاف النيوترينوبأصنافه الثلاثة. كما حتى الاكتشافات تمت على مراحل بدأت في الستينات وانتهت أواخر العام 2000. تشير التقديرات إلى حتى حوالي 50 تريليون نيوترينوشمسي تخترق الجسم البشري جميع ثانية، حيث تنتج النيوترينوات بأعداد كبيرة خلال تفاعلات الاندماج والتفاعلات النووية الجارية في الشمس.

في أواخر سبتمبر 2011، أُعلن عن نتائج تجربة أوبيرا التي حاولت رصد نيوترينوات خارجة من مركز البحوث الأوروبي سيرن بجنيف إلى مركز البحوث الوطني الإيطالي الموجود في مدينة "غران ساسو" بإيطاليا (وهي مسافة تبلغ نحو750 كيلومترا) بدى منها حتى سرعة النيوترينوات من نوع "نيوترينوميووني " Muon neutrino أكبر قليلاً من سرعة الضوء الأمر الذي يتنافى مع معادلات النظرية النسبية. وقد حيرت تلك النتيجة الأولية الفهماء، فقاموا بإعادة التجربة بعد تحسين أجهزة القياس وظروف التجربة، وتبين لاحقا حتى الاستنتاج الأولي كان خاطئاً؛ فلا يستطيع أي جسم حتى تتعدى سرعته سرعة الضوء.

مقدمة عامة

النيوترينات هي جسيمات أولية، تقدر قيمة "كمية" دورانها الزاوي "المغزلي" spin بـ ½، ويمكن تصنفيها بذلك مع الجسيمات التي من فصيلة الفرميون. كان الفهماء وإلى عهد قريب يعتقدون حتى كتلة هذه الجسيمات تساوي 0، غير حتى التجارب التي أجريت مؤخرا أثبتت أنه ورغم كون هذه الجسيمات صغيرة جدا إلا حتى كتلتها تختلف عن الصفر.

القياس العملي للنيوترينو

بعد افتراض وجود النيوترينومن قبل العالم ولفجانج باولي اقترح "وانغ غانشانغ" في عام 1942 طريقة للكشف عنه معمليا من خلال اصطياد إلكترون (أحد تحللات بيتا). وفي عدد 20 يوليو1956 من المجلة الفهمية "ساينس" قام الباحثون كلايد كوان، وفريدريك راينس، و"إف. هاريسون"، و"إتش. كروزه"، و"إيه. ماكغير" بنشر نتائج تجاربهم واكتشافهم النيوترينو(نيوترينوالإلكترون) عمليا. وكانت تلك النتيجة سببا في منح الباحثين جائزة نوبل للفيزياء في عام 1995، أي بعد الأكتشاف بنحو40 عاما.

عهدت تلك التجربة فيما بعد "بتجربة كووان - راينس للنيوترينو"، حيث تولدت مضادات النيوترينوات الإلكترونية في مفاعل نووي من تحلل بيتا وتفاعلت مع البروتونات في حوض المفاعل النووي فأنتجت نيوترونات وبوزيترونات، طبقا للتفاعل

⁺
ν
_e +
p⁺
→
n⁰
+ e

(في هذا التفاعل يتفاعل مضاد النيوترينو(يسار) مع البروتون، فينتج نيوترونا وبوزيترون (+ e موجب الشحنة)

كل واحد من البوزيترونات (موجب الشحنة) يجد سريعا إلكترونا (سالب الشحنة) يتفاعل معه مؤديا إلى تفاعل إفناء، حيث يفنى جميع زوج منهم وينتجا أشعة غاما التي أمكن تسجيلها. في نفس اللحظة أمكن تسجيل النيوترونات الناتجة حيث تنتج أشعة غاما هي الأخرى في الحساس آنيا. ويتم الكشف عن أشعة غاما الناتجة من تفاعل الإفناء وأشعة غاما الناتجة من النيوترونات في الحساس "آنيا" - أي خلال فترة زمنية اتساعها عدة مللي ثانية؛ فتسجيلهما آنيا هومرشد على تفاعل مضاد النيوترينومع البروتون.

نكهات النيوترينوات

بعد اكتشاف نيوترينوالإلكترون (
ν
_e) إلكترون نيوترينوومضاد نيوترينوالإلكترون أتضح أنه توجد أيضا أنواع أخرى من النيوترينووات؛ "نيوترينوالميوون "(
ν
_μ) ميوون نيترينو، و"مضاد نيوترينوالميوون"، وتاونيترينو(
ν
_τ)، و"مضاد تاونيترينو"؛ وهي جسيمات خفيفة جدا أخف من الإلكترون (ليبتونات، تظهر خلال "تفاعلات ضعيفة"، تسمى تفاعلات القوة النووية الضعيفة. أي يوجد من النيوترينوستة أنواع سميت نكهات النيوترينوفالاختلافات بينها بسيطة. تلك الستة نيوترينوات هي نيوترينوالإلكترون ومضاده، ونيوترينوالميوون ومضاده وتاونيترينوومضاده (أنظر الرموز:
ν
_e،
ν
_μ،
ν
_τ،
ν
_e،
ν
_μ،
ν
_τ، حيث يُميز المضاد بشرطة فوقه) ليس هذا فقط فقد اتضح حتى لكل منهم كتلة صغيرة جدا وغير متساوية بينهم، ويستطيع الواحد منهم حتى يتحول إلى آخر حيث حتى جميع منهم يوجد في حالة "رنين كمومي". ,

وتشير قياسات الرصد الفلكي إلى حتى مجموع كتل الثلاثة أنواع تشكل أقل من واحد من المليون من كتلة الإلكترون.

تذبذب النيوترينوات

يتذبذب النيوترينوأثناء طيارنه بين الثلاثة نكهات. فمثلا عندما ينشأ نيوترينوالإلكترون خلال تحلل بيتا فربما يتفاعل مع مكشاف أوعداد كنيوترينوميووني أونيوترينوتاووي. ويحدث هذا التذبذب أوالرنين بسبب حتى الثلاثة نكهات تتحرك بسرعات مختلفة قريبة من بعضها البعض، بحيث حتى حزمهم الموجية الكمومية تكون منزاحة الأطوار، ومع تطابق تلك الاطوار تنشأ الثلاثة نكهات للنيوترينو.

تلك الطبيعة الفريدة للنيوترينوات أذهلت الباحثين فترة طويلة فلم يتوصلوا إليها إلا بعد الكثير من الدراسات خلال سنوات طويلة، حيث كانت قياساتهم الأولية لم يكن لها تفسير إلا عن طريق حتى النيوترينويتذبذب خلال طريقه ويظهر بنكهات مختلفة.

نيوترينوات الشمس وتجربة هومستاك

كان العالم ريموند ديفيس بجامعة بنسلفانيا قد خصص وقتاً كبيراً من عمره لاستكشاف النيوترينات القادمة من الشمس فأنشأ أول كاشف نيوترينات في العام 1961 على عمق 4800 قدم تحت الأرض. مكان التجربة كان في منجم مضى تحت الأرض يسمى منجم هومستاك، وكان المكشاف يتكون من خزانا كبيرا يحوي 380 متر مكعب من "بركلوروإيثيلين" وهومنظف كيميائي جاف يحتوي على الكلور. وكان لابد من إجراء التجربة عميقا تحت الأرض للتخلص من تأثير الأشعة الكونية، واختيار مكشاف ضخم للقيام بعد النيوترينوات على هذا العمق. وكان اختيار رباعي كلوروالإيثيلين كمكشاف حيث حتى نيوترينوالإلكترون (وهوالوحيد الذي كان معروفا في ذلك الوقت) يتفاعل مع نواة الكلور-37 ويحوله إلى أرغون-37 وهومشع، وعن طريق الأشعة الصادرة من الأرغون-37 يمكن عد النيوترينوات القادمة من الشمس. تفاعل النيوترينومع الكلور يسير كالتالي:

${\displaystyle \mathrm {\nu _{e +\ ^{37 Cl\longrightarrow \ ^{37 Ar+e^{- .$

هذا التفاعل يجري ابتداءا من حافة طاقة قدرها 0.814 مليون إلكترون فولت، لا بد حتى تكون طاقة النيوترينوأعلى منها لكي يتم التفاعل مع نواة الكلور-37.

تفاعل النيوترينومع المادة بصفة عامة يحدث نادرا، فكان ديفيز يطلق غاز الهيليوم خلال خزان المكشاف لجمع ذرات الأرغون التي تكونت. وكانت تعبأ منها عدة سنتيمترات مكعبة في عداد غازي (مع جزء من الكلور المستقر) لقياس تحلل الأرغون، وتعيين عدد النيوترينوات التي تفاعلت. بهذه الطريقة استطاع "ديفيز" تعيين عدد النيوترينوات.

أجريت تجربة هومستاك في الستينيات من القرن الماضي وقامت بقياس عدد النيوترينوات القادمة من قلب الشمس وكان عدده بين ثلث إلى نصف العدد المتسقط والمحسوبة على أساس النموذج الأساسي للشمس. عدم التوافق هذا بين التجربة والنظرية أصبحت معروفة معضلة نيوترينوالشمس، وظلت لا حل لها نحوثلاثين عاما - ظل خلالها الباحثون التدقيق في حساباتهم للتفاعلات في الشمس وطريقة القياس العملي للنيوترينوات بلا جدوى. خلال تلك الفترة اكتشف نيوترينوالميوون ونيوترينوتاو، وافترض بعض الفهماء حتى الثلاثة نيوترينوات من الممكن تكون لهم كتل مختلفة، وربما بالتالي أنهم يتذبذبون أثناء طيرانهم إلى الأرض ويظهرون في في نكهات لا يستطيع المكشاف هنا عدّهم.

وعكف الفهماء على الاستكشاف العملي لهذا الافتراض وأجريت تجارب مختلفة كثيرة. في تجارب أجريت في التسعينات في أنحاء مختلفة من العالم وباستعمال كواشف أخرى أدت إلى التأكد من خاصية "تذبذبات النيوترينات". تقاسم دافيز في العام 2002 جائزة نوبل في الفيزياء مع ماساتوشي كوشيبا لأبحاث متعلقة بهذه الظاهرة. وفي 2015 تم منح جميع من الياباني تاكاكي كاجيتا والكندي أرثر ماكدونالد - لتجربة مرصد سودبوري للنيوترينو- جائزة نوبل للفيزياء لاكتشافهم تذبذب النيوترينومبينين بذلك حتى نيوترينوله كتلة. تجربة مرصد سودبوري استطاعت قياس الثلاث نكهات للنيوترينو، وكان العدد الكلي لهم مساويا لما تأتي به الحسابات النظرية.

تاريخ النيوترينوات

كانت فرضية النيوترينوقد اقترحت في 1930 بواسطة فولفغانغ باولي لإبقاء مبادئ بقاء الطاقة، حفظ الزخم، وحفظ الزخم الزاوي في تحلل بيتا - عملية تحول النيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو، طبقا للمعادلة:

${\displaystyle {\mbox{n \rightarrow {\mbox{p ^{+ +{\mbox{e ^{- +{\bar {\nu _{e$

اقترحت فرضية فولفغانغ باولي حتى جسيما لا يمكن إدراكه كان يحمل معه الفرق الملاحظ في الطاقة؛ أي الزخم والزخم الزاوي للجسيمات الداخلة في تفاعلات معينة ومقاديرها للجسيمات النهائية.

اقترح وجود النوع الأول عام 1930 وأطلق عليه ν_e (نيوترينوالإلكترون)؛ حيث كان هذا النيوترينوينشأ خلال تفاعلات تسمى تفاعل القوة الضعيفة (مثل تحلل بيتا) يظهر خلالها الإلكترون أوبوزيترون ومعه نيوترينو. ثم أكتشف في الأربعينيات من القرن الماضي نيوترينومن نوع آخر ينشأ خلال تفاعلات الميوون فسمي ν_μ (نيوترينوميووني)؛ وأخيرا اكتشف نوع ثالث في السبعينيات من النيوترينووهوν_τ يظهر في تفاعلات نوع من الميوون يسمى "ميوون تاو"، وسمي تاونيوترينو.

تم اكتشاف نيوترينوالإلكترون في عام 1956 و"ميونيورينو" في عام 1962 و"تاونيوترينو" عام 2000.

سرعة النيوترينوات

وفقا لقوانين النظرية النسبية لأينشتاين، إذا كانت النيوترينوات لها كتلة لاصفرية فينبغي ألا تصل إلى سرعة الضوء ولكن لم تثبت حتى اليوم تجارب دقيقة تؤكد كتلة لها. كان فريق أوبرا التابع لمشروع سيرن قد أعرب في أواخر 2011 عن تأكيدات التجارب السابقة التي أجريت في الثمانينات من القرن الماضي بأن سرعة النيوترينوات أكبر قليلاً من سرعة الضوء(1.00005 من سرعة الضوء) وحتى مع صحة الأنادىء فقد كانت لا تزال ضمن مبدأ الريبة. لاحقاً في يونيو2012، راجعت سيرن بقياساتها الجديدة التي أجريت في تجارب ساسوالأربعة (أوبرا، إيكاروس، بوركسينو، ومجس الحجم الكبير LVD) التصريح السابق لأوبرا مؤكدين على حتى سرعة النيوترينات بقت ضمن مجال سرعة الضوء ولم تتجاوزه.

ثلاثة أجيال من النيوترينوونقيض النيوترينو

تعتبر النيوترينوات من ضمن الليبتونات. وكل من اللبتونات يتكون من جسيم مشحون كهربائيا: الإلكترون وميون وتاوون ويتمي لكل منهم نيوترينومتعادل الشحنة: نيوترينو-الإلكترون (${\displaystyle {\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_e}$

كل جسيم من اللبتونات له عزم مغزلي 1/2.

طبقا للمعلومات الحديثة يمكن للنيوترينوات التحول من نوع إلى نوع، حيث تشكل الثلاثة أنواع تتطابق لثلاثة حالات كمومية ${\displaystyle \nu _{1$ و${\displaystyle \nu _{2$ و${\displaystyle \nu _{3$ ويعتقد حتى جميع منها له كتلة لا تزال غير معروفة.

وقد بينت قياسات عداد L3-Detektor في مركز أبحاث سيرن حتى عدد النيوترينوات ذات كتلة أقل من كتلة بوزون Z تبلغ ثلاثة أنواع من النيوترينوات.

قياس النيوترينوخلال تحلل بيتا المحفز

في عام 1942 أقترح كان-شانج وانج استخدام امتصاص أشعة بيتا من أجل قياس النيوترينو.

وفي 20 يوليو1956 نشرت مجلة ساينس Science الفهمية بحثا للفيزيائيين كلايد كوان وفريدريك راينس وباحثين آخرين معهم يؤيد أنهم قاموا بقياس النيوترينووالتحقق من وجوده. وقد حازا على ذلك الاكتشاف بعد مدة طويلة على جائزة نوبل للفيزياء عام 1995.

وتعهد تلك التجربة الآن بتجربة كووان-راينس للنيوترينو، حيث صوبت نيوترينوات صادرة من مفاعل نووي ناشئة من تحلل بيتا إلى بروتونات ونتج عن التفاعل نيوترونات وبوزيترونات، طبقا لمعادلة التفاعل:

${\displaystyle {\bar {\nu _{e +{\mbox{p ^{+ \rightarrow {\mbox{n +{\mbox{e ^{+$

والبوزيترون الموجب الشحنة سرعان ما يجد إلكترونا وينفنيا معا مصدران شعاعين من أشعة غاما، ويمكن عد أشعة غاما الناشئة. ويمكن قياس النيوترون الناشئ عن طريق امتصاصه بنواة ذرة مناسبة، وينتج عن الامتصاص أيضا شعاعا من أشعة غاما.

ويؤكد التزامن بين إصدار أشعة غاما الناشئة من إفناء البوزيترون وإصدار شعاع غاما الناشئ عن امتصاص النيوترون - أي حدوثهما وتسجيلهما في نفس اللحظة - التفاعل الذي قام به نقيض النيوترينو.

وبذلك تحقق حتى ما اقترحته النظرية وما وجدته التجربة إنما كان هونقيض النيوترينو. ${\displaystyle {\bar {\nu _{e$

نقيض النيوترينو

نقيض النيوترينو أومضاد النيوترينو (بالإنجليزية: Antineutrino)‏ هوالجسيم المضاد للنيوترينويحمل شحنة محايدة. يصحب هذا الجسيم انبعاث جسيم بيتا حينما يتحول نيوترون إلى بروتون. يبلغ عزمه المغزلي 1/2 وهوينتمي إلى مجموعة الليبتونات. جميع النيوترينوات المضادة التي خضعت للمراقبة كان عزمها المغزلي من جهة اليمين وهوعكس لف النيوترونات. تتفاعل النيوترونات المضادة مع المادة إما بقوى الجاذبية أوالتآثر الضعيف لذا يصعب مشاهدتها مخبريا. اكتشفت النيوترونات المضادة لأول مرة كنتيجة لتفاعلها مع نواة ذرة الكادميوم في خزان كبير للمياه. ثبت هذا الخزان بجانب مفاعل نووي كمصدر للنيوترونات المضادة. تشير تجارب تذبذب النيوترينوإلى حتى مضاد النيوترينولها كتلة لكن تجارب تحلل بيتا تصغر من قيمتها.

بما حتى النيوترينوات ومضادتها محايدة كهربائيا فيرجح أنها نفس الجسيم. والجسيمات التي تمتلك هذه الخاصية تعهد بجسيمات ماجورانا. إذا كانت النيوترينوات جسيمات ماجورانا فإن تحلل بيتا الثنائي قد يتحقق وقد بدأت بعض التجارب درس هذه المسألة. بدأ الباحثون حول العالم التحقيق في إمكانية قياس نقيض النيوترينوكوسيلة لمراقبة المفاعلات لمنع الانتشار النووي في إطار معاهدة منع الانتشار النووي.

تذبذب النيوترينو

تنشأ النيوترينوات وتقاس عادة مصحوبة بنكهة (إلكترون أوميون أوتاوون). وظهرت ظاهرة جديدة تسمى تذبذب النيوترينو، وهي حتى النيوترينوات تستطيع التذبذب بين ثلاثة نكهات أثناء مسارها في فراغ الكون. وهذا يحدث بسبب حتى العدد الكمومي لنكهته، وإتجاه الذاتي لنكهته، والطاقته الذاتية لنكهته ليست هي نفسها كما هي لحالة كتلة النيوترينو(وتسمى الحالات 1 ، 2 ، 3). وهذا يسمح للنيوترينوالذي صدر كنيوترينوإلكترون حتى هناك احتمال أثناء الطريق حتى يتحول ويُسجل كنيوترينوميون أونيوترينوتاو.

وقد خمن هذا التأثير الناجم عن ميكانيكا الكم بسبب التعارض بين عدد نيوترينوات الإكترون التي سجلت من قلب الشمس وبين العدد الذي تحسبه النظرية، وتعهد تلك المسألة بمشكلة نيوترينوالشمس. وطبقا للنموذج الأساسي يعني وجود تذبذب لنكهة النيوترينوحتى الفروق بين كتل النيوترينوليست صفرا، حيث يعتمد مدى اختلاط نكهات النيوترينوعند زمن معين على مربع كتلته.

إنظر أيضا

• تجربة سوبر كاميوكاندي
• تجربة مكعب الثلج
• جسيمات أولية
• تحلل بيتا
• إشعاع بيتا المزدوج عديم النيوترينو
• تذبذب النيوترينو
• تجربة هومستاك
• فهم فلك الطاقة العالية

المصادر

• كتاب غوامض الكون لأحمد محمد عوف