كشف جديد يؤكد ثبات قوانين الفيزياء عبر النيوترينوات
وورلد برس عربي تكشف نتائج أولية من مرصد ORCA تحت البحر المتوسط تؤكد عدم وجود انتهاك لمبدأ لامتغيّرية لورنتز في تذبذب النيوترينوات مما يدعم النسبية ونموذج الفيزياء القياسي ويضع حدوداً جديدة للتجارب المستقبلية في فيزياء الجسيمات.
لم تعثر أولى وحدات الكشف الست في المرصد ORCA على أي دليل على أن النيوترينوات تخرق «لامتغيّرية لورنتز» (Lorentz invariance)، وهي مبدأ في نسبية أينشتاين يقضي بأن قوانين الطبيعة تبدو متماثلة مهما كان اتجاه الراصد أو حركته. ورغم محدودية البيانات، وضع الكاشف حدوداً تنافس تلك التي حصلت عليها تجارب أكبر منه وأطول عمراً.
نُشرت النتائج الأربعاء 4 نوفمبر في دورية Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. ويمكن الاطلاع على صفحتها المنشورة أو على معرّفها الرقمي.
لماذا يفتّش الفيزيائيون عن خلل في مبدأ راسخ؟
تُعدّ النسبية العامة، أي نظرية أينشتاين في الجاذبية، والنموذج القياسي (Standard Model) لفيزياء الجسيمات من أنجح نظريات الفيزياء. يقول Lukas Hennig، الباحث المشارك في الدراسة وطالب الدكتوراه في الفيزياء المتقدمة بجامعة Erlangen-Nürnberg: «تصف النسبية العامة الكون جيداً على المقياس الكوني، ويصف النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات المقياس المجهري، أي الجسيمات المفردة وكيف تتصرف».
وتفترض النظريتان معاً صحة لامتغيّرية لورنتز. غير أنهما لا تنسجمان في الظروف القصوى، كما في اللحظات الأولى من عمر الكون، وقد غذّى هذا التعارض بحثاً دام عقوداً عن نظرية للجاذبية الكمومية (Quantum Gravity). وتقترح بعض نماذج نظرية الأوتار والجاذبية الكمومية الحلقية أن للزمكان «حبيبات» خفية عند المقاييس الدقيقة جداً. وإن وُجد انتهاك للامتغيّرية لورنتز فسيكون ضئيلاً للغاية. ويقول Hennig إن الأمر يتعلق باحتمال أن «أحد أكثر الافتراضات أساسية التي نضعها حول كوننا قد يكون منتهَكاً».
وللنيوترينوات دور مفيد في هذا البحث. فهي تقطع مسافات طويلة وتتفاعل مع المادة قليلاً، فتصلح لاستكشاف الانتهاكات الصغيرة. وهي جسيمات شبه عديمة الكتلة وعديمة الشحنة، ويعبر الأرض منها عدد هائل كل ثانية. وتأتي في ثلاثة أنواع: إلكتروني وميوني وتاوي، وتتحول من نوع إلى آخر أثناء انتقالها فيما يسمى «تذبذب النيوترينو» (neutrino oscillation). ولو وُجدت تأثيرات تخرق لامتغيّرية لورنتز لغيّرت هذا التذبذب، ولازدادت آثارها مع المسافة. وترى Alba Domi، طالبة الدكتوراه وإحدى باحثات ORCA، أن النيوترينوات هي «في الواقع أفضل المرشحين لإجراء هذا النوع من الأبحاث».
كيف يلتقط مرصد في قاع المتوسط جسيماً شبه خفي؟
ORCA (اختصار Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) تلسكوب لرصد الجسيمات يقع على عمق يزيد على ميل تحت سطح البحر قبالة فرنسا. وتستقر أولى وحدات الكشف فيه على نحو 1.5 ميل (2.4 كيلومتر) تحت الأمواج، قبالة مدينة Toulon. وهو جزء من تلسكوب النيوترينو KM3NeT، وقد بُني في البحر المتوسط، وساعدت في بنائه سفينتان. وكانت Domi، حين كانت طالبة دكتوراه، بين من شاركوا على متن القوارب في إنزال أولى وحدات الكشف إلى قاع البحر.
ترتكز كل وحدة كشف إلى قاع البحر وتحمل 18 كرة زجاجية، وتضم كل كرة 31 مستشعراً ضوئياً. وحين يصطدم نيوترينو بجسيمات الماء تنتج ومضات زرقاء خافتة تلتقطها المستشعرات. وتقول Domi إن المستشعرات تساعد على تحديد اتجاه الضوء. وتتيح أبحاث ORCA تتبّع مسار النيوترينو وطاقته انطلاقاً من هذه الومضات.
حلّل الفريق 5,828 نيوترينو جُمعت على مدى نحو 17 شهراً بين عامي 2020 و2021. وانتقى الباحثون الجسيمات المتجهة صعوداً عبر الأرض لتصفية الجسيمات الجوية الأخرى. ويوضح Hennig: «لا يمكن إلا للنيوترينوات أن تعبر». وقد قطع بعض النيوترينوات المختبَرة عرض الأرض بأكمله، أي 7,900 ميل (12,700 كيلومتر). وكان مصدرها الأشعة الكونية التي اصطدمت بالغلاف الجوي في مكان آخر من الأرض.
ماذا أثبتت البيانات، وكيف تقف أمام Super-Kamiokande وIceCube؟
أظهرت البيانات أن تذبذبات النيوترينو المحلَّلة تطابق ما تتوقعه الفيزياء القياسية، ولم تكشف عن أي دليل على انتهاك لامتغيّرية لورنتز. ووضع الفريق أول حدود مباشرة على الانتهاكات التي تعامل النيوترينو الميوني والنيوترينو التاوي معاملة مختلفة. ويفيد ذلك في اختبار النماذج النظرية، إذ يقول Hennig إن أي نموذج «يتنبأ بانتهاك للامتغيّرية لورنتز أقوى من الحدود الجديدة، فإن البيانات تستبعده. وفي هذه الحالة يمكنك أن تكون متأكداً إلى حد كبير من أن هذا النموذج غير صحيح».
وتنافس حدود ORCA في عدة قياسات رئيسية حدود Super-Kamiokande في اليابان وIceCube في القارة القطبية الجنوبية. غير أن حجم البيانات يختلف كثيراً، فقد استخدم Super-Kamiokande بيانات 12 عاماً، واستخدم IceCube بيانات عامين من مصفوفته الكاملة، بينما اعتمد ORCA على نحو 17 شهراً وست وحدات. ويقول Hennig: «أنا مندهش من أننا حصلنا على نتائج منافسة باستخدام ست وحدات كشف فقط».
ولا تقتصر المقارنة على حجم البيانات، فبيئة الكشف نفسها مختلفة. IceCube مدفون في جليد القارة القطبية الجنوبية، بينما يرصد ORCA النيوترينوات في مياه البحر. وتؤثر البيئتان في تشتّت الضوء وامتصاصه، وفي طريقة إعادة بناء مسار النيوترينو وطاقته. وتقول Domi: «يشتت الجليد الضوء أكثر من الماء، لكن الماء من جهة أخرى يمتص الضوء أكثر من الجليد».
ما الخطوة التالية؟
الدراسة قائمة على أول ست وحدات فقط، بينما يضم ORCA اليوم 44 وحدة في الماء، وتخطط المجموعة المشاركة في KM3NeT لتشغيل 108 وحدات بحلول عام 2030. ويخطط الفريق أيضاً لإعادة البحث بالتعاون مع الكاشف الشقيق ARCA (اختصار Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) قبالة جزيرة Sicily، وهو مصمم لرصد الجسيمات الكونية عالية الطاقة. وتبقى أبحاث ARCA أحد المسارات التي ينتظر منها الباحثون اختباراً أوسع للمبدأ نفسه.
أخبار ذات صلة
رائدا الفضاء ينهيان تركيب الألواح الشمسية الجديدة على محطة الفضاء الدولية
الأشكال الغريبة للكويكبات تعقّد مهمة تحويل مسارها
جاذبية الأرض تأسر قمراً صغيراً جديداً لكنه لن يبقى طويلاً
