ما هي تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض (DUNE)؟

هو مشروع ضخم لدراسة جسيم النيوترينو دراسة أكبر، واكتشاف ما قد يحمله من  أجوبة قد تفسر الكثير عن طبيعة المادة والكون الذي نعيش فيه (1).

 وُضع حجر الأساس لبناء المشروع عام 2017، إذ يتألف DUNE من كاشفين كبيرين للنيوترينو، أحدهما بالقرب من مكان إطلاق حزمة الشعاع في مختبر فيرمي لاب (Fermilab)، هدفه تسجيل تفاعل الجسيمات بالقرب من مصدر الحزمة، ووُضع الكاشف الثاني على عمق 1.5 كيلومتر تحت الأرض في مختبر سانفورد (sanford lab) الموجود في ولاية ساوث داكوتا ليستقبل الحزمة (1).

أولًا: إلام يسعى العلماء من خلال هذا المشروع؟
البحث في أصل المادة:
معروفٌ فيزيائيًّا أن المادة والمادة المضادة يفني بعضهما بعضا، إلا أنه في اللحظات الأولى من عمر الكون تفوقت المادة على المادة المضادة بجزء صغير، مما ساهم مساهمة كبيرة في وجود الكون بشكله الحالي، لذلك قد يؤدي البحث في سلوك كل من النيوترينو والنيوترينو المضاد إلى معرفة أسباب انعدام التوازن الذي حصل بين المادة والمادة المضادة الذي أدى بالنهاية إلى وجودنا (2).

فهم المزيد حول النجوم النيوترونية والثقوب السوداء:
يعتبر جسيم النيوترينو من أوائل الجسيمات التي تُطلق عند حدوث انفجارات نجمية هائلة (المستعرات العظمى) إذ تنطلق هذه الجسيمات على شكل دفقات كثيفة، ويأمل العلماء أن تتوفر لنا معلومات أكثر عن هذه النجوم أو عن الثقوب السوداء التي تُعد المنتج النهائي لهذه الانفجارات، من خلال رصد تلك الجسيمات ودراستها (2).

السعي للاقتراب أكثر من توحيد قوى الطبيعة:
اكتشف الفيزيائيون وجود أربع قوى تحكم الكون: الجاذبية، والكهرومغناطيسية، والقوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة، إلا أنهم يعتقدون أن هذه القوى كانت موحدة في بداية نشأة الكون، وأن الجسيمات كانت تستجيب لتلك القوى بنفس الطريقة، أما الآن فتستجيب الأنواع المختلفة من الجسيمات استجابة مختلفة مع القوى الأربع، ويُعد تفاعل الجسيمات مع القوى إحدى الطرائق الممكنة لفهم القوة الموحدة المُفترضة، ومن هذه الطرائق اضمحلال البروتونات، إذ لم يرصد العلماء اضمحلال البروتون من قبل، وقد صُمم "DUNE"  ليكون حساسًا لعدة أنواع من اضمحلال البروتون، وإن فرصة الرصد هذه قد تساعد على تقديم وصف لتلك القوة وتحقيق تقدم كبير فيما يتعلق بالنظرية الموحدة (2).

ثانيًا: كيف يعمل؟
يعتمد المشروع على دراسة أكثف شعاع من النيوترينو من خلال أكبر جهاز رصد حتى الآن، ويعتمد المشروع على تمرير شعاع النيوترينو خلال الأرض من مُختبر "فيرمي لاب" إلى مختبر "سانفورد" على طول مسافة 1300 كيلومتر دون الحاجة إلى نفق لتمريره، ونتيجة تبعثر الشعاع بعد انطلاقه مثل أي حزمة ضوئية، فإنه من الضروري توجيه مركز الشعاع نحو "DUNE"، ويتطلب ذلك استخدام نظام الإحداثيات الجغرافي لربط نقاط على سطح الأرض بنقاط عميقة، ما دفع العلماء إلى إلقاء أطول خط تصريف بطول 1.5 كيلومتر في منجم وإلقاء خيط صيد صلب فيه مربوط بثقل مع راصد ليزري لتحديد مكان الخيط (3).

وجدير بالذكر أن راصد الجسيمات الكبير في منشأة سانفورد مملوء بغاز الأرجون (Argon) السائل الذي يشكل 1% تقريبًا من الغلاف الجوي، ورغم مرور تريليونات جسيمات النيوترينو عبره، فإن قلة منها ستصطدم بذرات الآرغون وتصدر ضوءًا يمكن تسجيله ودراسته، ويتطلب بقاء الأرجون في الحالة السائلة تبريده إلى درجة حرارة أبرد من سطح كوكب زُحل (3).

أخيرًا: موعد البدء:
لا يبدو أن موعد بدء المشروع سيكون قريبًا، فمن المخطط أن ينطلق شعاع النيوترينو لأول مرة عام 2026، لتبدأ بعدها رحلة طويلة من جمع البيانات قد تستمر حتى 20 عامًا (4)، ورغم طول فترة الانتظار، فإن التجربة التي يقدمها المشروع فريدة من نوعها في سعينا نحو اكتشاف الكون الذي نعيش فيه.

المصادر:

1. An International Experiment for Neutrino Science [Internet]. Deep Underground Neutrino Experiment. Fermi National Accelerator Laboratory; [cited 2023Jan12]. Available from: هنا

2. DUNE at LBNF: Science goals [Internet]. Fermi National Accelerator Laboratory [cited 2023Jan12]. Available from: هنا

3. Biron L. Five fascinating facts about DUNE [Internet]. symmetry magazine. 2016 [cited 2023 Jul 10]. Available from: هنا

4. Yang T. DUNE: Physics program and timeline [Internet]. Fermilab, US Department of Energy; 2017 [cited 2023 Jul 10]. Available from: هنا