المشاريع الضخمة
تجربة النيوترينوا العميقة تحت الأرض (DUNE): فك أسرار الكون
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
لمحة سريعة عن أكثر الجسيمات مراوغة
لطالما اعتمدت الفيزياء الأساسية على مزيج من النظرية والتجارب لتقدم فهمنا للكون. وحتى اليوم، أحد أصعب الأسئلة التي لا يزال يُبحث عن إجابة لها يتعلق بالطبيعة الأساسية للجاذبية والقوى التي توجه الكون. ومن المعروف منذ زمن طويل أن الجواب ربما يكمن في جسيم مراوغ تقريبًا ولا يمكن دراسته بسهولة: النيوترينو.
هذا هو هدف المشروع الضخم تجربة النيوترينوا العميقة تحت الأرض، والمعروفة بـ ‘DUNE.’ هذا مسعى رائع يمتد عبر عدة ولايات في الولايات المتحدة ويتضمن أكثر من 800 ميل / 1,300 كلم من التجارب تحت الأرض.
ما هي النيوترينوات؟
النيوترينوات هي جسيمات محايدة كهربائيًا ذات كتلة صغيرة جدًا كان يُعتقد طويلاً أنها لا تملك كتلة. حاليًا، لا نعرف على الإطلاق لماذا تمتلك النيوترينوات كتلة، إلا أن الأمر يبدو أنه يعمل بطريقة مختلفة عن الجسيمات الأخرى.
ما يميز النيوترينوات هو أنها في الأساس “جسيمات شبحية”، تتفاعل بالكاد مع أشكال المادة الأخرى. وهذا لأن النيوترينوات تتفاعل فقط مع 2 من أصل 4 قوى أساسية في الكون: الجاذبية والتفاعل الضعيف.
نظرًا لأن التفاعل الضعيف له مدى قصير جدًا، والجاذبية تؤثر بالكاد على النيوترينوات ذات الكتلة المنخفضة، فإن النيوترينوات عادةً ما تمر عبر المادة دون تفاعل أو تباطؤ. وبالتالي، تسير النيوترينوات عادةً بسرعة تقارب سرعة الضوء.
النيوترينوات هي جسيمات أساسية لا يمكن تقسيمها إلى مكونات أصغر وتأتي بثلاثة أنواع: نيوترينوات الإلكترون، نيوترينوات الميون، ونيوترينوات التاو. ولتعقيد الأمور أكثر، يبدو أن النيوترينوات تتحول بانتظام بين هذه الأنواع الثلاثة.
من الممكن أيضًا أن هناكرابعًا موجودًا أيضًا، النيوترينوات العقيمة، التي يصعب اكتشافها أكثر من غيرها.
معظم النيوترينوات تُنتج من خلال التفاعلات النووية، من الاندماجات النووية في النجوم إلى التحلل الإشعاعي في مركز الأرض.
على الرغم من صعوبة رصدها، يُعتقد أن النيوترينوات هي أكثر الجسيمات وفرة في الكون. تقريبًا ألف تريليون نيوترينو يمر عبر أجسامنا كل ثانية.
يمكنك معرفة المزيد عن النيوترينوات على الموقع المخصص “كل شيء عن النيوترينوات” الذي أنشأته فيرما لاب.
تصميم DUNE
كيف نكتشف وندرس جسيمًا يسافر بسرعة الضوء ولا يتفاعل مع المادة العادية؟ هذا هو السؤال الذي يسعى DUNE للإجابة عليه.
DUNE سيمتد بين فيرما لاب، مختبر الفيزياء الجسيمية ومسرعات الجسيمات في أمريكا بولاية إلينوي، ومرفق سانفورد للأبحاث تحت الأرض (SURF أو مختبر سانفورد) في داكوتا الجنوبية.
المصدر: DUNE
ستتولى المواقع المختلفة كل منها مهمة متخصصة خاصة بها.
فيرما لاب
يُستخدم مسرّع بروتون يُدعى خطة تحسين البروتون-الثانية (PIP-II) في موقع فيرما لاب لإنشاء تدفق من النيوترينوات. تُعدّ PIP-II ترقية على التسريع الجسيمي السابق في فيرما لاب. تستخدم تقنيات التردد الراديوي الفائق التوصيل لتوفير حزم بروتون قوية تسافر تقريبًا بسرعة الضوء، ويمكن تعديلها لمجموعة متنوعة من التجارب.
سيتم تبريد هياكل التسريع إلى 2°K (-456°F / -271°C، درجتان فوق الصفر المطلق) لتوفير تسارع فعال وعالي الطاقة.
يتم تحقيق هذا التبريد بفضل وحدة تبريد ضخمة بحجم مستودع، لا تزال قيد الإنشاء.
المصدر: Fermilab
جزء من وحدة التبريد، الصندوق البارد الفائق التبريد، تم بناؤه في أوروبا بواسطة CERN ووصل إلى فيرما لاب في ديسمبر 2024.
المصدر: Fermilab
سيحصل فيرما لاب أيضًا على كاشف يسجل تفاعلات الجسيمات بالقرب من مصدر الشعاع. تم بناء تل بارتفاع 18 مترًا (60 قدمًا) لتوجيه خط الشعاع بزاوية صحيحة لإرسال النيوترينوات نحو داكوتا الجنوبية. يتجه شعاع الجسيمات إلى الأسفل لأخذ انحناء الأرض في الاعتبار ولا يتوقف بسبب الـ800 ميل من الصخور بينهما.
المصدر: Fermilab
مرفق سانفورد للأبحاث تحت الأرض (SURF)
سيحتوي SURF على أكبر كاشف نيوترينو من نوعه تم بناؤه على الإطلاق. سيستخدم 70,000 طن من الأرجون السائل لالتقاط النيوترينو عندما يتفاعل مع المادة العادية.
في المجموع، سيتم بناء 4 وحدات كاشف، مدعومة بأنظمة دعم تبريدية كبيرة.
المصدر: Fermilab
يُبنى هذا في أعماق الأرض، على عمق ميل واحد / 1.5 كلم، معادًا استخدام عمق منجم ذهب قديم لإنشاء كهف صناعي ضخم تحت الأرض.
في المجموع، تم استخراج حوالي 800,000 طن من الصخر لإنشاء مساحة لأربع وحدات كاشف DUNE البعيدة وللمنشآت الضرورية تحت الأرض. تم إلقاء هذه الصخور في منطقة تعدين سابقة.
المصدر: Fermilab
معًا، يشكل مسرّع بروتون فيرما لاب، والكاشف، وكواشف النيوترينو في SURF مرفق النيوترينو ذو الخط الأساسي الطويل (LBNF).
https://www.youtube.com/watch?v=cBGXMYP8cq8
ما الذي يمكن أن يحققه DUNE؟
من الصعب دائمًا التنبؤ بدقة بما ستحققه تجربة فيزياء الجسيمات، وهذا هو الهدف الأساسي. ومع ذلك، يمكننا توقع تقدم في ثلاثة مواضيع مختلفة من مشروع DUNE.
أصل المادة
منذ الانفجار الأول للمادة ومضاد المادة في الانفجار العظيم، أصبحت المادة الجسيم السائد في الكون. لا يزال غير واضح لماذا، إذ يُعتقد أنهما تم إنشاؤهما بكميات متساوية.
قد تكون النيوترينوات هي الجواب. يعتقد بعض الفيزيائيين أن النيوترينوات فريدة لأنها تمثل أيضًا جسيماتها المضادة. يعتقد آخرون أن تحول النيوترينوات بين الأنواع قد يكون الجزء المهم. على أي حال، قد تكون النيوترينوات هي التي أمالت الميزان لصالح سيطرة المادة اليوم.
بدلاً من ذلك، إذا ثبت أن النيوترينوات ليست المسؤولة، فهذا يعني أن الفيزيائيين سيضطرون إلى إعادة رسم نظرياتهم حول أصل الكون.
توحيد القوى
لا يزال الاتصال بين القوى الأربعة الأساسية (الكهرومغناطيسية، الضعف النووي، القوة النووية القوية، والجاذبية) غير مفهوم جيدًا.
قد يساعد DUNE في اكتشاف شيء نظريًا لكنه لم يُلاحظ تجريبيًا أبداً: تحلل البروتون.
يعتمد الفيزيائيون اليوم في الغالب على النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. إنه إطار صلب، لكنه يفشل في شرح بعض الظواهر وتوحيد القوى المختلفة. إذا تم قياس تحلل البروتون، سيوفر لنا ذلك نظرة على النموذج البديل الذي قد يعمل بدلاً من نظريات التوحيد الكبرى (GUTs)، الجاذبية الكمومية، السوبرسيمترية، وغيرها.
الثقوب السوداء
تُنتج النيوترينوات بكميات هائلة أثناء انهيار النجوم إلى ثقوب سوداء. قد تساعد قدرة DUNE الاستثنائية على كشف النيوترينوات في دراسة ما يحدث داخل النجوم النيوترونية، وربما مشاهدة ولادة ثقب أسود.
هذا، بدوره، قد يساعدنا على فهم الجاذبية بشكل أفضل، على المستويين الكوني والكمومي.
أشخاص DUNE
يشارك في DUNE أكثر من 30 دولة و1,000 عالم.
المصدر: DUNE
سيكون من المستحيل سرد مساهمة كل عالم في هذا المشروع الجماعي الضخم. ومع ذلك، يمكننا تسليط الضوء على مشاركة بعضهم:
Pantaleo Raimondi
هو مدير المشروع الجديد لخطة تحسين البروتون الثانية (PIP-II)، بعد مسيرة مهنية طويلة في مجال مسرّعات الجسيمات في CERN، DAFNE، وESFR.
“انضم Pantaleo إلى PIP-II في الوقت المناسب. مع انتهاء المشروع من جميع أنشطة التصميم النهائية، والانتقال إلى مرحلة الشراء، وبدء التخطيط للتكامل المفصل وال commissioning، ستكون خبرته في قيادة هذه الجهود في ESRF وأماكن أخرى لا تقدر بثمن.”
Carlo Rubia
حائز على جائزة نوبل ومدير سابق لـ CERN، هو من طور أولاً طريقة كشف النيوترينوات المستخدمة في DUNE.
خلال ولايته، في عام 1993، قال: “وافقت CERN على السماح لأي شخص باستخدام بروتوكول الويب والكود مجانًا … دون أي رسوم ملكية أو أي قيود أخرى”.
يمكنك الاستماع إليه وهو يتحدث عن مشروع DUNE ومشاريع أبحاث النيوترينوات الأخرى مثل ICARUS في هذا الفيديو.
https:://www.youtube.com/watch?v=IzZwk0sPbG8
Alexandre Sousa
متخصص في النيوترينوات، يركز بشكل خاص على النيوترينوات العقيمة و”الفيزياء ما وراء النموذج القياسي”.
“قد لا يحدث ذلك فرقًا في حياتك اليومية، لكننا نحاول فهم سبب وجودنا. يبدو أن النيوترينوات تحمل المفتاح للإجابة على هذه الأسئلة العميقة.”
“مع هاتين الوحدتين الكاشفتين وأقوى شعاع نيوترينو تم إنشاؤه على الإطلاق، يمكننا إجراء الكثير من الأبحاث. إن تشغيل DUNE سيكون مثيرًا للغاية. سيكون أفضل تجربة نيوترينو على الإطلاق.”
ارتفاع التكاليف والجدول الزمني
بدأ بناء المشروع في عام 2017، وبدأ الحفر الأول في داكوتا في عام 2019. بدأ الحفر الأول للكهف الرئيسي في داكوتا في عام 2021.
في أغسطس 2024، سجل كاشف النموذج الأولي أول نيوترينوات تم إنتاجها بواسطة المسرّع.
المصدر: DUNE
ومع ذلك، لم يكن الأمر عملية سهلة. على سبيل المثال، كان يجب تجديد عمق منجم التعدين قبل استخراج الصخر لبناء الكهوف تحت الأرض، مما أدى إلى تأخير المشروع وتكلفة إضافية لا تقل عن 300 مليون دولار.
جاءت الترقية على مسرّع الجسيمات في فيرما لاب مع فاتورة إضافية بقيمة مليار دولار. كما تسببت الترقية في حادث شديد، حيث سقط عامل من ارتفاع 23 قدمًا على الخرسانة، مما أدى إلى توقف البناء لمدة نصف عام حتى يتم مراجعة إجراءات السلامة.
بشكل عام، كانت التقديرات الأولية للمشروع تضع التكلفة عند 1.5 مليار دولار مع الانتهاء بحلول عام 2035. يبدو الآن أن 3.3 مليار دولار وموعد نهائي في 2040 هو الأكثر احتمالًا. عند أخذ جميع العوامل في الاعتبار، قد يصل تكلفة المشروع إلى 5 مليارات دولار على دافعي الضرائب الأمريكيين.
وقد أدى ذلك إلى بعض الانتقادات في الصحافة ومن قبل العلماء غير المشاركين.
“نعم، هناك بعض الضوضاء في الخارج، لكن الأشخاص الذين يكتبون تلك الأشياء لا يعرفون ما يتحدثون عنه. تُعرف الأيام الأولى للمشروع دائمًا بالتفاؤل المفرط الذي لا يثبت صحةً.”
تم إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي في ديسمبر 2021 بعد سنوات من التأخيرات وتجاوزات التكلفة، وهو الآن يحقق إنجازات كونية بانتظام. لا يوجد علاج كالنجاح.
Ron Ray, نائب مدير مشروع DUNE
ومع ذلك، حتى مع التأخير والتكاليف الإضافية، فإن التخلي عن DUNE يعني أن الولايات المتحدة ستتخلف عن بقية العالم في فيزياء الجسيمات.
تصاعد المنافسة
هذا ينطبق بشكل خاص حيث يتصاعد أيضًا مشروعان ضخمان آخران لتجارب النيوترينوات. أحدهما في اليابان والآخر في الصين.
“أي شيء يستحق القيام به يتضمن منافسة. لكن هذه ليست سباق خيول بسيط؛ تجارب النيوترينوات دائمًا ما تشمل تعاونًا دوليًا.
بالإضافة إلى ذلك، لدى DUNE أهداف إضافية، تشمل البحث عن المادة المظلمة، المادة غير المرئية التي تشكل معظم الكون، ودراسة النيوترينوات الناجمة عن الموت الكارثي للنجوم البعيدة.
خلف الكواليس، أحرز علماء DUNE تقدمًا ثابتًا نحو إتقان كاشف الأرجون السائل، الذي كان لا يزال تقنية ناشئة في عام 2012 عندما راهن المصممون على DUNE. أنظر إلى القائمة الكاملة للأشياء التي كان من الممكن أن تسير بشكل مختلف، وكأن جميع النجوم تصطف.”
Sam Zeller – فيزيائي في فيرما لاب
هايبر-كاميكاند
هايبر-كاميكاند، أو Hyper-K، هو الخلف successor لسوبر-كاميكاند، الذي وجد في عام 1998 أول دليل قوي على تذبذب النيوترينوات بين الأنواع. كما كان سوبر-كاميكاند أساسيًا في إثبات أن النيوترينوات لها كتلة.
على عكس DUNE، الذي يهدف إلى بناء تصميم جديد تمامًا لتجربة النيوترينوات، فإن Hyper-K هو أكثر من ترقية لتقنية موجودة. من المرجح أن يساعد ذلك على التقدم بسرعة أكبر، مع بدء التشغيل في أقرب وقت ممكن بحلول عام 2027.
يمكن أن يساعد ذلك في إجراء أول تقدير تقريبي لاختلال التوازن بين النيوترينوات ومضاداتها.
قد يكون Hyper-K و DUNE أكثر شركاءً من منافسين
نظرًا لأن كلًا من اليابان والولايات المتحدة لديهما تاريخ طويل من التعاون العلمي، فمن المرجح أن تكون المنافسة بين Hyper-K و DUNE ودية أكثر.
مرصد جويانغمين تحت الأرض للنيوترينوات (JUNO)
في سياق المنافسة بين القوى العظمى بين الولايات المتحدة والصين، من المحتمل أن يُنظر إلى JUNO كمنافس لـ DUNE.
تمتلك JUNO ميزة المتقدم الأول وتتميز بتصميم تجريبي فريد من حيث الفيزياء. كونه مشروعًا تعاونيًا دوليًا تقوده الصين، سيعزز JUNO المزيد من موقع الصين الريادي في هذا المجال.”
يتكون الكاشف من حوض أسطواني بعمق 44 مترًا في القاعة تحت الأرض المدفونة عميقًا في طبقة من الجرانيت على تل. منذ ديسمبر 2024، تم ملؤه بمياه فائقة النقاء بمعدل 100 طن في الساعة.
المصدر: Global Times
يحتوي هذا الحوض على الكاشف، المجهز بـ 20,000 أنبوب فوتومضاعف بقطر 20 بوصة و25,000 أنبوب فوتومضاعف بقطر ثلاثة بوصات، بالإضافة إلى الكابلات، وملفات الحماية المغناطيسية، وحواجز الضوء، ومكونات أخرى.
يحمي الحوض الكاشف من التداخل الناتج عن الأشعة الكونية على كشف النيوترينوات، وكذلك من الإشعاع الطبيعي الصادر عن الصخور المحيطة.
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 مشع.
من المتوقع أن يكتمل عملية حقن السائل بالكامل بحلول أغسطس 2025، وبعد ذلك سيبدأ المرفق رسميًا تشغيله وجمع البيانات.
مشاريع النيوترينوات المستقبلية
DUNE و Hyper-K و JUNO هي مشاريع النيوترينوات التي يجري بناؤها بالفعل. ولا يزال البعض الآخر في مرحلة الفكرة ولكن قد يفتح مزيدًا من الفهم لفيزياء الجسيمات.
واحدة منها هي Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET)، مشروع أوروبي. سيحاول اكتشاف اللبتون المشحون الذي يُنتج في كل مرة يتم فيها إنتاج نيوترينو. قد يعمق هذا فهمنا لاختلال التوازن بين المادة ومضاد المادة.
آخر هو NuTag، الذي يستخدم تقنية تجريبية جديدة: وسم النيوترينو. سيستخدم خط شعاع نيوترينو جديد. تم اقتراح هذا التصميم بالفعل في عام 1979، ولكن مؤخرًا أصبحت كواشف السيليكون قادرة على البقاء تحت التعرض المباشر لشعاع مصدر الهادونات.
خلاصة DUNE
يُعد DUNE نوعًا من المشاريع العلمية الضخمة التي لا يبدو أن لها تطبيقًا مباشرًا للوهلة الأولى. في هذا الصدد، هو مشابه جدًا لمعظم علوم فيزياء الجسيمات والفيزياء الكمومية في أوائل القرن العشرين.
ومع ذلك، فإن هذا الاستقصاء المبكر في الجانب الأساسي من واقعنا سيفتح في النهاية نتائج ضرورية للتقدم مثل الطاقة النووية (والقنابل)، والمجهر الإلكتروني، والرقائق الدقيقة المتقدمة، والأقمار الصناعية، وغيرها.
من المحتمل أن يؤدي الفهم الأعمق للنيوترينوات إلى نتائج طويلة الأمد مماثلة على التقدم التكنولوجي، حيث يصعب توقع معظم الابتكارات التي ستظهر بعد عقود.
قد يؤدي الفهم الأفضل للنيوترينوات وكيفية إنتاجها إلى مجموعة من التطبيقات:
- تحويل الوقود المستهلك من المفاعلات النووية إلى مواد ذات نشاط إشعاعي أقل، أو استخدام النيوترينوات لمراقبة الوقود المشع.
- استخدام النيوترينوات لمراقبة الغواصات النووية تحت الماء، التركيز على برنامج كاشف النيوترينوات التجريبي السري التابع لـ DARPA.
- فحص الأرض للبحث عن تجاويف قد تحتوي على نفط أو رواسب معدنية.
- الاتصالات بالنيوترينوات، وربما حتى اتصالات بين نجوم في المستقبل البعيد.
شركة النيوترينوات
Neutrino Energy
على الرغم من غناها بتطبيقات مستقبلية محتملة، يبدو أن علم النيوترينوات بعيد كل البعد عن الاستخدام التجاري المنتظم. قد يتغير ذلك وفقًا لشركة ناشئة ألمانية خاصة وطموحة جدًا، Neutrino Energy.
تستكشف الشركة مفهومًا جديدًا للغاية يُسمى النيوترينفولتية، أو توليد الكهرباء من التدفق المستمر للنيوترينوات حولنا. يتم ذلك باستخدام طبقة من الجرافين، مادة ثنائية الأبعاد مصنوعة من الكربون (اتبع الرابط للحصول على شرح كامل للمادة الثنائية الأبعاد مثل الجرافين أو الذهبية).
ستحول هذه الطريقة حركة الجرافين الحرارية (الحركة البراونية) إلى كهرباء قابلة للاستخدام، مما ينتج طاقة من لا شيء. يحدث ظاهرة مشابهة للجرافين، حيث تدفع النيوترينوات نوى الذرات، كما هو الحال مع ذرات الأرجون في كاشف النيوترينوات DUNE.
أعلنت الشركة عن النموذج الأولي القادم لها، المسمى Powercube، الذي من المفترض أن يوضح التقنية، وتم تطويره بمساعدة الذكاء الاصطناعي.
https://www.youtube.com/watch?v=6YEO8Qit1Bw
كما تعمل الشركة مع مركز المواد لتقنية الإلكترونيات (CMET) في الهند، بهدف “إنشاء مركبة كهربائية ذات شحن ذاتي تعمل بتقنية النيوترينفولتية”.
https://www.youtube.com/watch?v=BAA6wmpPUU0
من الصعب تحديد مدى قرب هذا المفهوم من أي تجاريّة، 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 النيوترينوات” حاليًا في السوق.
