قبض على النيوتريونات: كيف يبحث العلماء عن إجابات في الجزيئات التي تصل إلى الأرض من جميع أنحاء الكون

مراصد النيوترينو

الأشعة الكونية - تيارات من الجسيمات الأولية تتحرك مع طاقات عالية في

الفضاء الخارجي ، سجلت لأول مرة في عام 1912. هذه الجسيمات تقصف الأرض باستمرار ، ولكن من الصعب للغاية تتبع مصدرها.

منذ الأشعة الكونية ليست فقط تتكون منتتفاعل الجزيئات المحايدة (أو النيوترونات) ، ولكن أيضًا من الجزيئات المشحونة ، مع المجال المغناطيسي لكوكبنا. هذا التفاعل يغير مسارهم ويجعل من الصعب تحديد مصدر الإشعاع.

في الوقت نفسه تمر الجزيئات المحايدة بحريةمن خلال الحقول المغناطيسية ، باتباع المسار المحدد أصلا. في كل ثانية يمر حوالي 100 مليار نيوترينو خلال بوصة مربعة من جسمك. يتشكل معظمها عندما تندمج البروتونات في الشمس وليست نشطة بما يكفي لتحديدها ، لكن بعضها يصل إلى كوكبنا من خارج درب التبانة.

على الأرض ، يصعب إصلاح النيوتريونات -لا تتفاعل هذه الجسيمات الأساسية تقريبًا مع المادة ، باستثناء الحالات النادرة التي يصطدم فيها النيوترينو بنواة الذرة والتفاعل النووي الذي يتبعها.

عواقب مثل هذه التفاعلات النووية غير مرئية تقريبًا: عندما تصطدم النيوتريونات بنواة الذرة ، ينشأ إشعاع شيرينكوف - وهج أزرق ضعيف ، لا يظهر إلا في الماء النقي للغاية أو في الجليد. يقوم الإشعاع بتخزين معلومات حول مسار النيوترينو ويسمح لك بحساب طاقة الجسيم. هذا يسمح للفيزيائيين بدراسة الجزيئات النادرة على الرغم من حقيقة أنهم يترددون في التفاعل.

IceCube

معظم الجليد يحتوي على فقاعات الهواء ،التي تشكل فراغات وتشويه بيانات مسار النيوترينو. ولكن على عمق أكثر من كيلومترين في القطب الجنوبي ، فإن الجليد عبارة عن هيكل متجانس بدون فقاعات - الضغط فيه كبير لدرجة أن الجليد ينكمش ويدفع الهواء إلى أن يصبح "نظيفًا".

مهمة IceCube

هذه الميزة من الجليد العميق في القطب الجنوبياستفاد الفيزيائيون من مهمة IceCube - يقع المرصد الذي صنعوه على عمق 2.5 كم تحت محطة أبحاث Amundsen-Scott ويمثل كاشف النيوترينو بمساحة حوالي متر مكعب. كم.

تم تجهيز المحطة بـ 56 "أوتار" و 5.2 ألف. أجهزة الاستشعار البصرية. تمر الجزيئات عبر الأوتار ، وتحاول المستشعرات الضوئية اكتشاف توهج أزرق ضعيف من الميونات - وهي جسيمات تتشكل نتيجة تصادمات النيوترونات مع ذرات الجليد وتنبعث منها توهجًا ضعيفًا.

سلاسل تحت محطة Amundsen-Scott

على الرغم من أن المرصد يقع علىتقوم كاشفات القطب الجنوبي بجمع بيانات عن النيوتريونات الكونية القادمة من جميع أنحاء العالم ، وخاصة من نصف الكرة الشمالي. وفي الوقت نفسه ، تعمل كتلة الأرض كمرشح ، فتقطع جزيئات "زائدة عن الحاجة" أو منخفضة الطاقة.

في عام 2014 ، نجح العلماء من مهمة IceCubeيثبت أن النيوتريونات خارج المجرة تصل إلى الأرض. في السنوات الثلاث الأولى من العملية ، سجل المرصد 37 نيوترينو بطاقة أكثر من 30 تيف ، أي أكثر بخمس مرات من طاقة بروتون واحد.

في سبتمبر 2017 ، العلماء لأول مرة في التاريخالنيوترونات المسجلة مع طاقة أولية تبلغ 230 ت.ف. بفضل بيانات من تلسكوب غاما فيرمي ، اكتشف علماء الفيزياء الفلكية مصدرًا للإشعاع ، وهو السترة TXS 0506 + 056 ، التي تقع على مسافة 4 مليارات سنة ضوئية من الأرض.

مما يؤدي إلى مرصد IceCube

تشرح هذه الاكتشافات أهمية دراسة النيوتريونات.- ستسمح هذه الجسيمات الأساسية للعلماء باستكشاف أجسام كونية تقع على مسافة تزيد على 13 مليار سنة ضوئية. خارج هذا الحد ، تمتلئ المساحة بذرات الهيدروجين المحايدة ، التي تمتص الضوء المرئي ، لكن النيوتريونات تتغلب على هذه المساحة بحرية.

سوبر Kamiokande و SNO

آيس كيوب ليس المرصد النيوترينو الوحيد. في نهاية القرن الماضي ، حصل علماء من مشاريع Super-Kamiokande و SNO على جائزة نوبل لاكتشاف خصائص النيوترينو. أظهرت التجارب التي أجريت على الكاشفات بناءً على مبدأ تثبيت إشعاع شيرينكوف أن هذا الجسيم الأساسي له كتلة غير صفرية.

مراصد موجات الجاذبية

كشف تقلبات الزمكان للغايةصعوبة. والحقيقة هي أن مثل هذه التذبذبات الناشئة بسبب التغيرات في حقول الجاذبية ضعيفة للغاية ، ولا يتم استشعارها من قبل الحواس ولا يتم إدراكها بواسطة الأجهزة التقليدية ، على عكس الصوت أو الراديو.

اقترح وجود موجات الجاذبيةألبرت أينشتاين في نظريته العامة للنسبية. يعتقد الفيزيائي النظري أن سبب هذه التذبذبات هو تسارع الكتلة في الكون ، على سبيل المثال ، دمج أو امتصاص كائنين كبيرين من قبل بعضهما البعض. تتيح لك الموجات تحديد حجم الكائنات والمسافة إليها. بناءً على هذه البيانات ، يمكن للعلماء إعادة تكوين الأجسام الكونية قبل تصادمها.

لأول مرة في التاريخ ، نجحت موجة الجاذبيةإصلاح بواسطة العلماء من تعاون تجربة LIGO / VIRGO - نتجت التذبذبات في الزمان والمكان عن دمج فتحتين أسوديتين وظهور ثقب أسود واحد كبير الحجم.

اندماج اثنين من الثقوب السوداء

ليغو / العذراء

LIGO يعمل على مبدأ التداخل -يتكون المرصد من كتفين بطول 4 كم. في بداية ونهاية كل واحدة منها ، يتم تركيب المرايا الفائقة الدقة على طاولات اهتزاز معزولة تتحرك في نفس المستوى. تنتقل أشعة الليزر في كل من الكتفين من أقصى نقطة وتتحد في الوسط.

مرصد ليغو

الفكرة وراء التجربة هيحيث أن تشويه الزمكان الناتج عن موجة الجاذبية الرباعية سيؤدي إلى إطالة رقيقة لأحد الذراعين مع تقليل الآخر. بمعنى آخر ، إذا وصل أحد الأشعة بتأخير طفيف ، يتم تشغيل إشارة ، مما قد يشير إلى اكتشاف موجة الجاذبية.

هذا الاستطالة صغير للغاية - في سبتمبر 2017لاحظ علماء فيزياء LIGO انخفاضًا في طول الليزر في الذراع بمقدار تريليون متر - حوالي الألف من قطر البروتون. بالإضافة إلى ذلك ، كان الفرق في وقت وصول أشعة الليزر 10 مللي ثانية فقط.

برج العذراء يعمل على نفس المبدأ ويسمحتحقق من بيانات LIGO. الآن يتم تجميد كلا المشروعين إلى أجل غير مسمى. حتى الآن ، سجلت LIGO وشريكها الأوروبي Virgo ما مجموعه أربع موجات ثقالية - في عامي 2015 و 2017.

يتوقع الفيزيائيون أن تسمح لنا دراسة موجات الجاذبية بفهم أسباب دوران فائق السرعة لنجوم النيوترونات ، لدراسة عملية دمج الثقوب السوداء.

إليسا

علماء من ناسا والفضاء الأوروبيتعمل وكالات (ESA) أيضًا على مشروع مرصد الموجة الجاذبية في الفضاء - هوائي eLISA. سيعمل الجهاز ، مثل LIGO ، على مبدأ مقياس التداخل ، لكن شعاع الليزر سينتقل بين المرايا على مسافة فلكية. هذا سوف يقلل من وتيرة الموجات التي يدركها المدار بأربعة إلى خمسة أوامر من الحجم مقارنة بـ LIGO.

الآن المشروع في مرحلة التصميم. من المقرر إطلاق الهوائي الفضائي في عام 2034 ، والمدة المقدرة للمشروع هي من خمس إلى عشر سنوات.