في عام 2018، كان هناك جسيمات بالكاد يمكن اكتشافها عبر خزان من الماء النقي مدفون تحت كيلومتر واحد من الصخور في أونتاريو بكندا.
هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام الماء للكشف عن جزيئات تسمى النيوترينوات المضادة من مفاعل نووي على بعد 240 كيلومترًا (150 ميلًا). وهذا الاختراق المذهل واعد النيوترينو تكنولوجيا الاختبار والمراقبة باستخدام مواد رخيصة الثمن وآمنة ومتوفرة بسهولة.
باعتبارها من أكثر الجزيئات وفرة في الكون، النيوترينوات أشياء صغيرة غريبة لديها القدرة على الكشف عن رؤى عميقة للكون. ولسوء الحظ، فهي عديمة الكتلة تقريبًا، وليس لها أي شحنة، ونادرًا ما تتفاعل مع الجسيمات الأخرى. إنهم يركضون في الغالب عبر الفضاء والصخور على حد سواء، وكل الأشياء غير مادية. هناك سبب يطلق عليها اسم جسيمات الأشباح.
النيوترينوات المضادة هي جسيمات معاكسة للنيوترينوات. عادة، يكون للجسيم المضاد شحنة معاكسة مساوية لجسيمه؛ على سبيل المثال، الجسيم المعاكس للإلكترون سالب الشحنة هو بوزيترون موجب الشحنة. ونظرًا لأن النيوترينوات لا تحمل أي شحنة، فلا يستطيع العلماء سوى التمييز بين الاثنين بناء على الحقيقة يتم دمج نيوترينو الإلكترون مع البوزيترون، بينما يظهر نيوترينو الإلكترون مع الإلكترون.
نيوترينوات مضادة للإلكترون تنبعث أثناء اضمحلال بيتا النووي، يضمحل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد، وهو نوع من الاضمحلال الإشعاعي. يمكن لأحد هذه النيوترينوات الإلكترونية أن يتفاعل مع بروتون لإنتاج بوزيترون ونيوترون، وهي عملية تعرف باسم اضمحلال مضاد بيتا.
تُستخدم خزانات كبيرة مملوءة بالسوائل مع أنابيب تضخيم الضوء للكشف عن هذا النوع من التحلل. وهي مصممة لالتقاط الضوء الخافت إشعاع شيرينكوف يتكون الصوت من جسيمات مشحونة تتحرك بسرعة أكبر من الضوء، ويمكن أن ينتقل الصوت عبر سائل مثل طفرة تم إنشاؤها عن طريق كسر حاجز الصوت. لذا فهم حساسون جدًا للضوء الخافت جدًا.
يتم إنتاج النيوترينوات المضادة بكميات هائلة بواسطة المفاعلات النووية، لكنها منخفضة الطاقة نسبيًا، مما يجعل اكتشافها صعبًا.
يدخل سنو +. مدفون تحت 2 كيلومتر (1.24 ميل) من الصخور، وهو أعمق مختبر تحت الأرض في العالم. يوفر هذا الدرع الصخري حاجزًا فعالًا ضد تداخل الأشعة الكونية، مما يسمح للعلماء بالحصول على إشارات جيدة الدقة بشكل استثنائي.
اليوم، يتم ملء خزان المختبر الكروي الذي يبلغ وزنه 780 طنًا بمادة ألكيل بنزين الخطية، وهو وميض سائل يضخم الضوء. وفي عام 2018، بينما كانت المنشأة تخضع للمعايرة، كانت مملوءة بالمياه فائقة النقاء.
ومن خلال 190 يومًا من البيانات التي تم جمعها خلال مرحلة المعايرة في عام 2018، وجد تعاون SNO+ دليلاً على اضمحلال بيتا العكسي. يتم التقاط النيوترون الناتج خلال هذه العملية بواسطة نواة الهيدروجين الموجودة في الماء، مما ينتج عنه توهج ناعم عند مستوى طاقة معين، 2.2 ميجا إلكترون فولت.
عادةً ما تكافح كاشفات Water Cherenkov لكشف الإشارات التي تقل عن 3 ميجا إلكترون فولت؛ لكن SNO + المائي كان قادرًا على اكتشاف ما يصل إلى 1.4 ميجا إلكترون فولت. وهذا يجعل كفاءة اكتشاف الإشارات عند 2.2 ميجا إلكترون فولت حوالي 50%، لذلك اعتقد الفريق أن الأمر يستحق حظهم في البحث عن علامات اضمحلال بيتا العكسي.
وفي تحليل الإشارة المرشحة، تم إنتاجها بواسطة مضاد النيوترينو، بمستوى ثقة 3 سيجما – احتمال 99.7 بالمائة.
وتشير النتيجة إلى إمكانية استخدام أجهزة الكشف عن المياه لمراقبة إنتاج الطاقة في المفاعلات النووية.
وفي الوقت نفسه، يتم استخدام SNO+ لفهم النيوترينوات والنيوترينوات المضادة بشكل أفضل. بسبب النيوترينوات لا يمكن قياسها مباشرةنحن لا أعرف الكثير عنهم. أحد أكبر الأسئلة هو ما إذا كانت النيوترينوات والنيوترينوات المضادة هما نفس الجسيم. قد يجيب تمزق نادر لم يسبق له مثيل على هذا السؤال. يبحث SNO+ حاليًا عن هذا التمزق.
“إنه يذهلنا أنه يمكن استخدام الماء النقي لقياس النيوترينوات المضادة من المفاعلات ومن هذه المسافات الكبيرة.” قال الفيزيائي لوغان ليبانوفسكي تعاون SNO+ وجامعة كاليفورنيا، بيركلي، في مارس 2023.
“لقد بذلنا جهدًا كبيرًا في استخلاص بعض الإشارات من بيانات 190 يومًا. وكانت النتيجة مرضية.”
نشرت في الأطروحة رسائل المراجعة البدنية.
نُشرت نسخة من هذه المقالة في الأصل في أبريل 2023.