المشاريع الضخمة
مرصد JUNO: كشف أسرار كتلة النيوترينات
التقاط لمحة عن أكثر الجسيمات مراوغة
لطالما اعتمدت الفيزياء الأساسية على مزيج من النظرية والتجارب لتطوير فهمنا للكون.
حتى اليوم، أحد أصعب الأسئلة التي لا يزال من الصعب الإجابة عليها يتعلق بالطبيعة الأساسية للجاذبية والقوى التي توجه الكون. ومن المعروف منذ زمن طويل أن الجواب ربما يُوجد في جسيم مراوغ تقريبًا ولا يمكن دراسته بسهولة: النيوترينو.
قد يتحقق فهم أعمق لطبيعة النيوترينات قريبًا بفضل مشروع صيني ضخم: JUNO، أو مرصد جيانغمين تحت الأرض للنيوترينات.
هذا مرفق ضخم، يتضمن تعاونًا دوليًا واسعًا وسنوات من الإعداد.
يجب أن يكمل نتائج تجربة النيوترين العميقة تحت الأرض (DUNE)، وهو كاشف نيوترين أمريكي يقيس النيوترينات عبر 800 ميل من الأرض (اتبع الرابط للحصول على شرح كامل لهذا المشروع الضخم).
المصدر: DUNE
ما هي النيوترينات؟
النيوترينات هي جسيمات محايدة كهربائيًا ذات كتلة صغيرة جدًا، صغيرة لدرجة أنه كان يُعتقد منذ زمن طويل أنها لا وجود لها.
حاليًا، لا نعرف لماذا تمتلك النيوترينات كتلة، باستثناء أنها تبدو أنها تعمل بطريقة مختلفة عن الجسيمات الأخرى.
ما يميز النيوترينات هو أنها في الأساس جسيمات “شبحية”، تتفاعل بالكاد مع أشكال المادة الأخرى. ذلك لأن النيوترينات تتفاعل فقط مع قوتين من القوى الأربع الأساسية في الكون: الجاذبية والتفاعل الضعيف.
نظرًا لأن التفاعل الضعيف له مدى قصير جدًا، والجاذبية تؤثر بالكاد على النيوترينات ذات الكتلة المنخفضة، فإن النيوترينات عادةً ما تمر عبر المادة دون تفاعل أو تباطؤ. وبالتالي، تسافر النيوترينات تقريبًا بسرعة الضوء.
النيوترينات هي جسيمات أساسية لا يمكن تقسيمها إلى مكونات أصغر وتأتي بثلاثة أنواع: نيوترينات الإلكترون، نيوترينات الميون، ونيوترينات التاو. ولتعقيد الأمر أكثر، يبدو أن النيوترينات تتحول بانتظام بين هذه الأنواع الثلاثة.
الانتقال بين الأنواع الثلاثة للنيوترينات مرتبط بكتلة كل نوع من النيوترينات ويحتوي على إجابات حول الطبيعة الأساسية للمادة والكون نفسه.
من الممكن أيضًا أن 4th نوعًا من النيوترينات موجود أيضًا, النيوترينات العقيمة، التي تتفاعل مع المادة فقط عبر الجاذبية، مما يجعل اكتشافها أصعب من غيرها.
معظم النيوترينات تُنتج من خلال التفاعلات النووية، من الاندماجات النووية في النجوم إلى التحلل الإشعاعي في مركز الأرض. وكذلك داخل المفاعلات النووية المصنوعة يدويًا، وهو أمر مهم لتصميم JUNO.
على الرغم من مراوغتها، يُعتقد أن النيوترينات هي أكثر الجسيمات وفرة في الكون. يمر نحو ألف تريليون نيوترينو عبر أجسامنا كل ثانية.
(يمكنك معرفة المزيد عن النيوترينات على الموقع المخصص “كل شيء عن النيوترينات” الذي أنشأته فيرمتلاب.)
أهداف JUNO – تحديد هرمية النيوترين
تم بناء JUNO خصيصًا للإجابة على سؤال “هرمية كتلة النيوترين”، أي أي نوع من النيوترينات يمتلك أي وزن.
المصدر: Berkeley Lab
ما زال هذا غير واضح، على الرغم من قياس كتل النيوترينات، لأن ما يُقاس فعليًا هو “مربع الكتلة” للجسيمات. وبالتالي، تسمح الرياضيات بحلّين محتملين للنتائج الملاحظة، الهرمية الطبيعية أو الهرمية المعكوسة.
“نأمل أن نتعلم كيف ظهرت الليبتونات — الإلكترونات وأقاربها — في لحظات ما بعد الانفجار العظيم، عملية قد تفسر لماذا هناك مادة أكثر من مضاد المادة في الكون.”
الإجابة على مثل هذه الأسئلة الأساسية ستكون ممكنة فقط إذا تبين أن قيمة ما يُسمى “زاوية خلط النيوترين θ₁₃” أكبر من الصفر.
اسحب للتمرير →
| نوع الهرمية | ترتيب الكتلة | النتيجة |
|---|---|---|
| الهرمية الطبيعية | الأخف = نيوترين الإلكترون؛ الأثقل = نيوترين التاو | يدعم امتدادات النموذج القياسي |
| الهرمية المعكوسة | الأخف = نيوترين التاو؛ الأثقل = نيوترين الإلكترون | يشير إلى فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي |
تصميم JUNO
الخليفة لتجربة ديا باي لمفاعل النيوترين
تم تنفيذ العمل اللاحق لـ JUNO في تجربة ديا باي لمفاعل النيوترين، التي كانت تُجرى بالتعاون مع وزارة الطاقة الأمريكية، في وقت كانت فيه التعاون العلمي مع الصين أقل توترًا.
المصدر: Wikipedia
بعد اكتشاف جائزة نوبل حوالي عام 2000 لظاهرة تذبذب النيوترينات الجوية والشمسية، اكتشفت مرافق ديا باي وضعًا جديدًا لتذبذب النيوترينات للمرة الأولى في عام 2012، من خلال قياس زاوية θ₁₃ بدقة، وهو ما صُممت من أجله.
أكمل هذا الاكتشاف الإطار النظري لتذبذب النيوترينات. كما وفر إرشادًا لتجارب الجيل التالي في تحديد ترتيب كتلة النيوترينات.
اختيار الموقع المناسب
صُمم كاشف ديا باي لاكتشاف النيوترينات التي تنتجها محطة ديا باي للطاقة النووية ومحطة لينغ آو للطاقة النووية.
المصدر: ResearchGate
في البداية، كان من المقرر بناء JUNO في موقع قريب. لكن بناء مفاعل نووي ثالث (محطة لوفينغ للطاقة النووية) كان سيعطل التجربة، لأنها تعتمد على الحفاظ على مسافة ثابتة من المفاعلات النووية القريبة.
لذلك، تم بناؤه في موقع يبعد 53 كلم (33 ميل) عن كل من محطتي يانغجيانغ وتايشان للطاقة النووية.
المصدر: ResearchGate
السبب في أهمية المسافة إلى محطات الطاقة النووية هو أن النيوترينات تتفاعل قليلًا جدًا مع المادة، لكنها لا تزال تتفاعل.
وتؤثر التفاعلات مع إلكترونات ذرات الأرض، عبر كيلومترات كافية من الصخور، على تذبذب الأنواع المختلفة من النيوترينات فيما بينها.
المسافة الأطول، مقارنةً بـ 2 كلم لمرفق ديا باي، تسمح بحساسية أكبر وقدرة أعلى على اكتشاف تذبذب النيوترينات.
ومع ذلك، يتطلب ذلك أيضًا مستوىً محسّنًا بشكل كبير من الحماية وكاشفًا أكبر بكثير لالتقاط عدد كافٍ من نيوترينات المفاعل.
يُدفن المرفق بأكمله على عمق 700 متر تحت جبل لتقليل معدل أحداث الأشعة الكونية التي قد تتداخل مع اكتشاف النيوترينات القريبة من محطات الطاقة النووية.
المصدر: Global Times
قلل هذا الاختيار التصميمي من تأثير الأشعة الكونية، التي كانت ستلطخ إشارة النيوترينات بحوالي 100,000 مرة.
قُترح في عام 2008 واعتمد من قبل الأكاديمية الصينية للعلوم ومقاطعة غوانغدونغ في عام 2013، وبدأ بناء JUNO تحت الأرض في عام 2015.
بدأ تركيب الكاشف في ديسمبر 2021 واكتمل في ديسمبر 2024.
JUNO تتمتع بميزة المتقدم الأول وتتميز بتصميم تجريبي فريد من نوعه من حيث الفيزياء.
كمشروع تعاوني دولي تقوده الصين، سيعزز JUNO موقع الصين الريادي في هذا المجال.
حوض هائل متألق
الهيكل الرئيسي لـ JUNO يشبه البطيخ المغمور في الماء، حيث يشكل الكرة بأكملها أكبر وأدق كاشف نيوترين في العالم.
لكشف تفاعل المادة العادية مع النيوترينات، يُستخدم سائل متألق. عندما يصطدم النيوترين به، يتحول الطاقة إلى ضوء.
المصدر: The European Physics Journal
يُلتقط هذا الضوء ثم يُضخم بواسطة أنابيب الفوتومولتية (PMTs) ذات القطر 20 بوصة وأنابيب الفوتومولتية ذات الثلاث بوصات، بالإضافة إلى الكابلات، وملفات الحماية المغناطيسية، وحواجز الضوء، ومكونات أخرى.
يبلغ الوزن الفعلي لكاشف السائل المتألق المركزي في قلب JUNO 20,000 طن، ويقع في مركز حوض ماء بعمق 44 مترًا.
المصدر: Global Times
يدعم هيكل من الفولاذ المقاوم للصدأ بقطر 41.1 متر الكرة الأكريليكية بقطر 35.4 متر، والسائل المتألق، و20,000 أنبوب فوتومولتية بقطر 20 بوصة، و25,600 أنبوب فوتومولتية بقطر 3 بوصات، والإلكترونيات الأمامية، والكابلات، وملفات التعويض المضادة للمغناطيسية، واللوحات البصرية.
تعمل جميع أنابيب الفوتومولتية في وقت واحد لالتقاط الضوء المتألق الناتج عن تفاعلات النيوترينات وتحويله إلى إشارات كهربائية.
المصدر: ResearchGate
أحجام هائلة
منذ ديسمبر 2024، تم ملء الحوض المحيط بالنظام بمياه فائقة النقاء بمعدل 100 طن في الساعة.
خلال 45 يومًا، ملأ الفريق 60,000 طن من المياه فائقة النقاء، مع الحفاظ على فرق مستوى السائل بين الكرة الأكريليكية الداخلية والخارجية ضمن السنتيمترات، وضمان عدم تجاوز عدم اليقين في معدل التدفق 0.5٪، مما يحافظ على سلامة الهيكل.
المصدر: IIHE
سيوفر هذا المستوى من الدقة والصيانة الدقيقة إمكانية اكتشاف النيوترينات بمستوى مقارن، حتى وإن كان هناك عدة سنوات بين كل حدث.
بشكل عام، من المتوقع أن يعمل المرفق بأكمله لأكثر من 30 سنة.
“لم يتطلب الأمر فقط أفكارًا وتكنولوجيات جديدة، بل أيضًا سنوات من التخطيط الدقيق والاختبار والمثابرة. تلبية المتطلبات الصارمة للنقاء والاستقرار والسلامة استلزم تكريس مئات المهندسين والفنيين.”
Prof. MA Xiaoyan, JUNO Chief Engineer
يحمي الحوض الكاشف من تداخل الأشعة الكونية النادرة، التي تنتج إشارة مشابهة لاكتشاف النيوترينات وتتمكن من اختراق الجبل أعلاه، بالإضافة إلى الإشعاع الطبيعي من الصخر المحيط.
سيتم حقن السائل على مرحلتين. خلال الشهرين الأولين، ستمتلئ المياه فائقة النقاء الفراغات داخل وخارج الكرة الأكريليكية للكاشف المركزي.
في الأشهر الستة التالية، سيتم استبدال المياه فائقة النقاء داخل الكرة بسائل متألق.
أكملت JUNO بنجاح ملء كاشف السائل المتألق بوزن 20,000 طن وبدأت جمع البيانات في 26 أغسطس 2025.
تعاون دولي
تم بناء JUNO بواسطة فريق دولي كبير يضم أكثر من 700 عضو من 17 دولة ومنطقة. حتى الولايات المتحدة موجودة في التعاون، من خلال جامعة كاليفورنيا (7 أشخاص) وجامعة ماريلاند (2 شخص)، مع معظم الشركاء الدوليين الآخرين من الدول الأوروبية.
سيتم أيضًا معالجة البيانات المتولدة عبر موارد البحث الدولية، بمشاركة معهد الصين للطاقة العالية، والمعهد الإيطالي الوطني للفيزياء النووية CNAF، والمعهد الروسي المشترك للبحوث النووية، والمركز الفرنسي للحوسبة IN2P3.
النتائج الأولى
في 24 أغسطس، تم اكتشاف أول تصادم نيوترين مع السائل المتألق، مما يُظهر أن المرفق الآن جاهز لإنتاج بيانات علمية.
المصدر: EyesOnSci
تشير هذه النقاط الأولية إلى أن JUNO قد يكون أفضل من المتوقع من حيث الحساسية ودقة القياس.
لكن سيستغرق الأمر عدة أسابيع أو أشهر لتأكيد أول قياس ملموس لكتلة النيوترينات، وستستغرق العملية وقتًا أطول للمجتمع العلمي للتحقق من هذه النتائج الأولية.
التحديثات المستقبلية وتجارب النيوترين العالمية
ترقية لاكتشاف مضاد النيوترين
المهمة الأولى لـ JUNO هي تمكين البشرية من معرفة هرمية كتلة النيوترينات للمرة الأولى. لقد كان هذا، لعقود، قطعة مفقودة من اللغز لفهم الجسيمات دون الذرية، وأساس الكون ككل.
مسلحين ليس فقط بإجابة، بل بقياسات أكثر دقة من أي وقت مضى، سيتمكن الفيزيائيون من استخدام كتل النيوترينات للتقدم إلى مجالات أخرى من الفيزياء دون الذرية والكمية.
فيما بعد، يجب أن تجعل الحساسية العالية لـ JUNO من الممكن ترقية المرفق لحل السؤال الرئيسي الآخر المتعلق بالنيوترينات: هل النيوترينات هي نفسها مضاد الجسيم الخاص بها؟
معظم الجسيمات لها مضاد جسيم، بخصائص معاكسة مثل شحنتها الكهربائية (وربما كتلتها). لكن بما أن النيوترينات محايدة وذات كتلة منخفضة، فليس واضحًا ما هي خصائص مضاد النيوترين بالضبط.
من خلال إتاحة إمكانية اكتشاف وقياس تفاعل يُسمى تحلل بيتا المزدوج بدون نيوترين، وهو لا يزال عملية تحلل إشعاعي نظرية، قد يثبت ذلك أن جسيم النيوترين هو نفسه مضاد جسيمه، ويُطلق عليه أيضًا جسيم من نوع ماجورانا أو فيرميون ماجورانا.
هايبر-كاميكاندي، DUNE، وغيرها
هايبر-كاميكاندي، أو Hyper-K، هو خليفة سوبر-كاميكاندي، الذي وجد في عام 1998 الدليل القوي الأول على تذبذب النيوترينات بين الأنواع. كما كان سوبر-كاميكاندي أداة أساسية لإثبات أن النيوترينات لها كتلة.
على عكس DUNE أو JUNO، اللذان يهدفان إلى بناء تصميم جديد تمامًا لتجربة النيوترين، فإن Hyper-K هو أكثر من ترقية لتقنية موجودة. من المرجح أن يساعد ذلك في التقدم بسرعة أكبر، مع بدء التشغيل في أقرب وقت إلى عام 2027، تقريبًا في نفس وقت DUNE الأمريكي.
قد يساعد ذلك في إجراء تقدير تقريبي للاختلال بين النيوترينات ومضادات النيوترينات.
DUNE و Hyper-K و JUNO هي مشاريع النيوترين التي تُبنى حاليًا. ولا يزال البعض الآخر في مرحلة المفهوم لكنه قد يفتح فهمًا أعمق لفيزياء الجسيمات.
إحدى هذه المشاريع هي ENUBET (Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging)، وهو مشروع أوروبي. سيحاول اكتشاف اللبتون المشحون الذي يُنشأ في كل مرة يُنتج فيها نيوترين. قد يُعمق ذلك فهمنا للاختلال بين المادة ومضاد المادة.
آخر هو NuTag، الذي يستخدم تقنية تجريبية جديدة: وضع علامة على النيوترين. سيستخدم خطًا جديدًا من حزم النيوترين. تم اقتراح هذا التصميم بالفعل في عام 1979، لكن مؤخرًا فقط أصبحت كواشف السيليكون قادرة على الصمود أمام التعرض المباشر لحزمة مصدر هادرونات، مما يجعل بنائه ممكنًا.
الخلاصة
من المحتمل أن يكون JUNO تجربة علمية مهمة جدًا لحل الأسئلة المتعلقة بالفيزياء التي ظلت بلا إجابة لعقود، والتي أعاقت تطوير التقدم في الفيزياء النظرية.
على الرغم من أن هذا قد يبدو بعيدًا عن اهتماماتنا اليومية، فإن العديد من تقنياتنا المتقدمة تحتاج فعليًا إلى فهم أفضل للنيوترينات للتقدم.
على سبيل المثال، شريحة حوسبة كمية (Majorana-1) التي طورتها مؤخرًا شركة Microsoft خلقت حرفيًا حالة جديدة من المادة (الموصلات الطوبولوجية) باستخدام جسيم ماجورانا، وهو النوع الذي قد يساعد JUNO على فهمه بشكل أفضل.
لذا فإن مشاريع العلوم الدولية المتقدمة مثل JUNO تهدف إلى وضع الأسس التي تُحوَّل لاحقًا إلى ابتكارات رائدة.
الاستثمار في النيوترين & مبتكري جسيمات ماجورانا
Microsoft
(MSFT )
Microsoft هي واحدة من أكبر شركات التكنولوجيا في العالم، وتتمتع باحتكار شبه كامل لأنظمة التشغيل، وموقع قوي جدًا في برمجيات B2B من خلال برنامج Office365، وأنظمة الحوسبة السحابية Azure، وشبكة التواصل الاجتماعي LinkedIn، بالإضافة إلى حضور قوي في مجال ألعاب الفيديو (Xbox والعديد من أكبر استوديوهات ألعاب الفيديو في العالم)، والإعلانات، وأدوات البرمجة (GitHub).
كما أن الشركة نشطة جدًا في مجال الذكاء الاصطناعي، لا سيما من خلال نشر Copilot AI عبر جميع منتجاتها. بدأت جهود Microsoft في الذكاء الاصطناعي من خلال تعاون مع OpenAI، والآن أصبحت أكثر استقلالية.
المصدر: Microsoft
Microsoft نشطة أيضًا في الحوسبة الكمومية، مع الإعلان المذهل عن شريحة Majorana-1. عند تبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق وضبطها بالحقول المغناطيسية، تشكل هذه الأجهزة أسلاكًا فائقة التوصيل الطوبولوجية، تحتوي على ما يُسمى أوضاع الصفر ماجورانا (MZMs) في نهايات الأسلاك.
المصدر: Microsoft
(يمكنك قراءة المزيد عن جميع الأنشطة التجارية والفرص لشركة Microsoft في تقريرنا الاستثماري المخصص للشركة.)
طاقة النيوترين
على الرغم من غناها بإمكانات تطبيقات مستقبلية، يبدو علم النيوترين بعيدًا عن الاستخدام التجاري المنتظم. قد يتغير ذلك وفقًا لشركة ناشئة ألمانية خاصة وطموحة جدًا، Neutrino Energy.
تستكشف الشركة مفهومًا جديدًا للغاية يُسمى النيوترينوفولتية، أو توليد الكهرباء من التدفق المستمر للنيوترينات حولنا. يتم ذلك باستخدام طبقة من الجرافين، مادة ثنائية الأبعاد مصنوعة من الكربون (اتبع الرابط للحصول على شرح كامل للمواد الثنائية الأبعاد مثل الجرافين أو الذهبية).
تهدف هذه الطريقة إلى تحويل الحركة المستمرة لذرات الجرافين، المتأثرة بالإشعاع المحيط والجسيمات مثل النيوترينات، إلى كهرباء قابلة للاستخدام. رغم واعدها نظريًا، لا يزال العملية غير مثبتة وتبقى تجريبية للغاية.. يحدث ظاهرة مشابهة للجرافين، حيث “تدفع” النيوترينات نوى الذرات، كما هو الحال مع ذرات الأرغون في كاشف النيوترين DUNE.
أعلنت الشركة عن النموذج الأولي القادم لها، المسمى Powercube، والذي من المفترض أن يُظهر التقنية المطورة بمساعدة الذكاء الاصطناعي.
تعمل الشركة أيضًا مع مركز المواد لتقنية الإلكترونيات (CMET) في الهند، بهدف “إنشاء مركبة كهربائية ذات شحن ذاتي تُشغل بتقنية النيوترينوفولتية”.
من الصعب تحديد مدى قرب المفهوم من أي تجاري، حيث يبدو أنه في الوقت الحالي مجرد مفهوم مع قليل من المعلومات حول القدرة المحتملة أو الجوانب الاقتصادية. لكن هذا بالتأكيد أقرب ما يكون إلى “شركة النيوترين” الحالية في السوق.
