كتب – باسل يوسف:
لأكثر من قرن من الزمان، كان العلماء مفتونين بإمكانية تأثير الأبعاد المكانية الخفية الضئيلة على فيزياء عالمنا الثلاثي الأبعاد المألوف. ومع ذلك، على الرغم من عقود من البحث التجريبي، لم يكن هناك حتى الآن دليل ملموس على هذه الأبعاد الإضافية. الآن، تقترح دراسة حديثة طريقة لمواصلة هذا البحث: باستخدام تجربة النيوترينو تحت الأرض القادمة (DUNE) لاستكشاف هذه الأبعاد الخفية من خلال سلوك النيوترينو.
تعد النيوترينوات من بين أكثر الجسيمات مراوغة في الكون، ما أكسبها لقب “الجسيمات الشبحية”. هناك 3 أنواع معروفة من النيوترينوات، كل منها بكتلة أصغر بمليارات المرات من كتلة الإلكترون. تتميز هذه الجسيمات بقدرتها على التحول – أو التذبذب – إلى أشكال مختلفة أثناء انتقالها عبر الفضاء، حتى بدون التفاعل مع جسيمات أخرى.
دراسة النيوترينوات باستخدام DUNE
DUNE هي تجربة تذبذب النيوترينو القادمة ومقرها إلينوي وجنوب داكوتا. قال مهدي مسعود، الأستاذ في جامعة تشونج آنج في كوريا الجنوبية والمؤلف المشارك للدراسة، امجلة Live Science: “في هذه التجربة، تولد النيوترينوات بواسطة مسرع الجسيمات في فيرميلاب وتقطع مسافة 1300 كيلومتر، ثم رصدها باستخدام كاشف ضخم تحت الأرض في جنوب داكوتا”.
يعد الإعداد التجريبي مثاليًا لدراسة تذبذبات النيوترينو. ستعبر النيوترينوات التي أُنشئت في تصادمات فيرميلاب الأرض للوصول إلى كاشف جنوب داكوتا. وعلى طول الطريق، من المتوقع أن تتحول بعض هذه الجسيمات إلى النوعين الآخرين: نيوترينوات الإلكترون ونيوترينوات تاو.
من خلال مراقبة كيفية تطور الأنواع المختلفة أثناء رحلتها، يأمل علماء DUNE في حل العديد من الأسئلة الأساسية في فيزياء النيوترينو، مثل التسلسل الهرمي لكتل النيوترينو، والمعلمات الدقيقة التي تحكم التذبذب، والدور الذي ربما لعبته النيوترينوات في خلق اختلال التوازن بين المادة والمادة المضادة في الكون.
تقترح الدراسة، التي نُشرت في مجلة فيزياء الطاقة العالية، أن السلوك الغامض للنيوترينوات يمكن تفسيره إذا كانت هناك، بالإضافة إلى الأبعاد الثلاثة المألوفة للفضاء، أبعاد مكانية إضافية على مقياس الميكرومتر (مليون جزء من المتر). وعلى الرغم من صغر هذه الأبعاد وفقًا للمعايير اليومية، فإنها كبيرة بشكل ملحوظ مقارنة بمقاييس الفمتوميتر (واحد على كوادريليون من المتر) النموذجية للجسيمات دون الذرية.
إن نظرية الأبعاد الإضافية الكبيرة، التي اقترحها لأول مرة أركاني حامد وديموبولوس ودفالي في عام 1998، تشير إلى أن الفضاء ثلاثي الأبعاد المألوف لدينا مدمج في إطار أبعاد أعلى من أربعة أبعاد أو أكثر، كما أوضح مسعود. ويقول “الدافع الأساسي لهذه النظرية هو معالجة سبب ضعف الجاذبية بشكل كبير مقارنة بالقوى الأساسية الأخرى في الطبيعة. وعلاوة على ذلك، تقدم نظرية الأبعاد الإضافية الكبيرة تفسيرًا محتملاً لأصل كتل النيوترينو الصغيرة، وهي الظاهرة التي تظل غير مفسرة داخل النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات”.
إذا كانت الأبعاد الإضافية موجودة، فقد تغير بشكل خفي احتمالات تذبذب النيوترينو بطرق يمكن اكتشافها بواسطة DUNE، وفقًا لمؤلفي الدراسة. يمكن أن تظهر هذه التشوهات كقمع طفيف لاحتمالات التذبذب المتوقعة وكـ “اهتزازات” تذبذبية صغيرة عند طاقات نيوترينو أعلى.
محاكاة بيانات DUNE للبحث عن أبعاد إضافية
في هذه الدراسة، نظر المؤلفون في حالة البعد الإضافي الوحيد. تتحدد تأثيرات البعد الإضافي في المقام الأول بحجمه. ويخلق هذا الاعتماد فرصة للباحثين للتحقيق في وجود مثل هذه الأبعاد من خلال تحليل كيفية تفاعل النيوترينوات مع المادة داخل الكاشف. ويؤثر البعد الإضافي على احتمالات تذبذب النيوترينوات، والتي بدورها يمكن أن تكشف عن أدلة قيمة حول وجودها المحتمل وخصائصها.
وقال مسعود: “أجرينا محاكاة عدة سنوات من بيانات النيوترينو من تجربة DUNE باستخدام النماذج الحسابية”. “من خلال تحليل كل من التأثيرات منخفضة الطاقة وعالية الطاقة للأبعاد الإضافية الكبيرة على احتمالات تذبذب النيوترينو، نجحنا في تقييم قدرة DUNE إحصائيًا على تقييد الحجم المحتمل لهذه الأبعاد الإضافية، على افتراض وجودها في الطبيعة”.
ويشير تحليل الفريق إلى أن تجربة DUNE ستكون قادرة على اكتشاف بُعد إضافي إذا كان حجمه حوالي نصف ميكرون (مليون جزء من المتر). إن مشروع DUNE قيد الإنشاء حاليًا ومن المتوقع أن يبدأ في جمع البيانات حوالي عام 2030. وبعد عدة سنوات من التشغيل، من المرجح أن تكون البيانات المتراكمة كافية لإجراء تحليل شامل لنظرية الأبعاد الإضافية الكبيرة. ويتوقع الفريق أن تكون نتائج هذا التحليل متاحة بعد عقد من الزمان تقريبًا.
بالإضافة إلى ذلك، يعتقدون أنه في المستقبل، فإن الجمع بين البيانات من DUNE وطرق تجريبية أخرى – مثل تجارب التصادم أو الملاحظات الفيزيائية الفلكية والكونية – سيعزز القدرة على التحقيق في خصائص الأبعاد الإضافية بدقة أكبر.
قال مسعود: “في المستقبل، قد يؤدي دمج المدخلات من أنواع أخرى من البيانات إلى تشديد هذه الحدود العليا بشكل أكبر، مما يجعل اكتشاف الأبعاد الإضافية الكبيرة أكثر معقولية، إذا كانت موجودة في الطبيعة.. بالإضافة إلى كونها طريقًا مثيرًا للفيزياء الجديدة، فإن الوجود المحتمل لأبعاد إضافية كبيرة يمكن أن يساعد DUNE أيضًا في قياس المجهول القياسي في فيزياء النيوترينو بدقة أكبر، خاليًا من تأثير التأثيرات غير المبررة”.
اقرأ أيضا:
