المشاريع الضخمة
تجربة نيوترونو تحت الأرض العمياء (DUNE): فك لغز أسرار الكون
التحقق من وجود الجسيم الأكثر تحديًا
لقد اعتمد الفيزياء الأساسية دائمًا على مزيج من النظرية والتجارب لتقدم فهمًا لكوننا. حتى يومنا هذا، لا يزال أحد أكثر الأسئلة صعوبة الإجابة هو السؤال حول الطبيعة الأساسية للجاذبية والقوى التي توجيه الكون. لقد كان من المعروف منذ زمن طويل أن الجواب من المحتمل أن يكون موجودًا في جسيم خفي و شبه مستحيل الدراسة: النيوترون.
هذا هو هدف مشروع الميغا تجربة نيوترونو تحت الأرض العمياء، المعروفة باسم “DUNE”. هذا هو مشروع رائع يمتد عبر عدة ولايات في الولايات المتحدة ويشمل أكثر من 800 ميل / 1,300 كم من التجارب تحت الأرض.
ما هي النيوترونات؟
النيوترونات هي جسيمات محايدة كهربائيًا ذات كتلة صغيرة جدًا يعتقد أنها كانت nulla. حاليًا، لا نعرف على الإطلاق لماذا تملك النيوترونات كتلة، إلا أنها تبدو تعمل بطريقة مختلفة عن الجسيمات الأخرى.
ما يجعل النيوترونات فريدة من نوعها هو أنها جسيمات “أشباح” تقريبًا، تتفاعل بشكل ضعيف مع أشكال أخرى من المادة. هذا لأن النيوترونات تتفاعل فقط مع 2 من القوى الأساسية الأربعة في الكون: الجاذبية والتفاعل الضعيف.
كما أن التفاعل الضعيف له مدى قصير جدًا، والجاذبية تؤثر بشكل ضعيف على النيوترونات منخفضة الكتلة، لذلك تنتقل النيوترونات عادةً عبر المادة دون التفاعل أو التباطؤ. ونتيجة لذلك، تنتقل النيوترونات عادةً بسرعة تقريبًا مثل سرعة الضوء.
النيوترونات هي جسيمات أساسية لا يمكن كسرها إلى مكونات أصغر، وتأتي في 3 أنواع: نيوترونات إلكترونية، نيوترونات ميونية، ونيوترونات تاو. لتكثيف الأمور أكثر، تبدو النيوترونات أنها تنتقل بشكل منتظم بين هذه الأنواع الثلاث.
من الممكن أيضًا أن يكون هناك نيوترون رابع، نيوترونات معزولة، أكثر صعوبة في الكشف عنها من غيرها.
تُنتج معظم النيوترونات من التفاعلات النووية، من الاندماج النووي في النجوم إلى الاضمحلال الإشعاعي في مركز الأرض.
على الرغم من خفاء النيوترونات، يُعتقد أنها الجسيم الأكثر وفرة في الكون. حوالي ألف تريليون نيوترون يمر عبر جسمنا كل ثانية.
يمكنك التعرف على المزيد عن النيوترونات على الموقع المخصص “كل شيء عن النيوترونات” الذي أنشأته Fermilab.
تصميم DUNE
كيف يمكننا اكتشاف ودراسة جسيم ينتقل بسرعة الضوء عندما لا يتفاعل أيضًا مع المادة العادية؟ هذا هو السؤال الذي تحاول DUNE الإجابة عليه.
ستمتد DUNE بين Fermilab، مختبر الفيزياء النووية والمتسارع في إلينوي، ومركز Sanford Underground Research Facility (SURF) في داكوتا الجنوبية.
مصدر: DUNE
سيتمتع كل موقع بمهمة محددة لتحقيقها.
Fermilab
يتم استخدام معجل بروتون يسمى خطة تحسين البروتون-II (PIP-II) في موقع Fermilab لإنشاء تدفق من النيوترونات. PIP-II هو تحسين على التسريع الجسيمي السابق في Fermilab. يستخدم تقنيات التردد الإشعاعي الفائق للتوصيل لتوفير شعاع بروتون قوي يمكن تعديله لتنوع من التجارب.
ستتم تبريد هياكل التسريع إلى 2°K (-456°F / -271°C، 2 درجة فوق الصفر المطلق) لتوفير تسريع فعال وعالٍ القوة.
يتم تحقيق هذا التبريد بفضل وحدة تبريد ضخمة، بحجم مستودع، لا تزال قيد البناء.
مصدر: Fermilab
جزء من وحدة التبريد، الصندوق البارد، تم بناؤه في أوروبا بواسطة CERN ووصل إلى Fermilab في ديسمبر 2024.
مصدر: Fermilab
سيتمتع Fermilab أيضًا بكاشف سجّل التفاعلات الجسيمية بالقرب من مصدر الشعاع. تم بناء تلة عالية 18 مترًا (60 قدمًا) لتحديق الشعاع نحو الزاوية الصحيحة لإرسال النيوترونات نحو داكوتا الجنوبية. يهدف شعاع الجسيمات إلى الأسفل لتحديد انحناء الأرض ولا يتوقف عن 800 ميل من الصخور في بينهما.
مصدر: Fermilab
مركز Sanford Underground Research Facility (SURF)
سيحوز SURF على أكبر كاشف نيوترونات من نوعه على الإطلاق. سوف يستخدم 70,000 طن من الأرجون السائل لالتقاط النيوترونات المتفاعلة مع المادة العادية.
في المجموع، سيتم بناء 4 وحدات كاشفة، مدعومة بنظم دعم تبريد كبير.
مصدر: Fermilab
يتم بناؤه تحت الأرض، على عمق 1 ميل / 1.5 كم، لإعادة استخدام шахة ذهب قديمة لتحديد عمق تحت الأرض وبناء مغارة تحت الأرض ضخمة.
في المجموع، تم حفر حوالي 800,000 طن من الصخور لإنشاء مساحة لوحدات الكاشف الأربعة في DUNE ومرافقها تحت الأرض. تم إلقاء هذه الصخور في منطقة تعدين سابقة.
مصدر: Fermilab
معًا، يشكل معجل بروتون Fermilab، الكاشف، وكاشفات النيوترونات في SURF منشأة Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF).
ما يمكن أن تحققه DUNE؟
من الصعب دائمًا التنبؤ بدقة بما ستحققه تجربة فيزياء الجسيمات، وهو بعد كل شيء هو الغرض من ذلك. ومع ذلك، يمكننا توقع التقدم في ثلاثة مواضيع مختلفة من مشروع DUNE.
أصل المادة
منذ الانفجار الأول للمادة والمادة المضادة في الانفجار العظيم، أصبحت المادة السائدة في الكون. لا يزال غير واضح لماذا، حيث يُعتقد أن كليهما تم إنشاؤهما بكميات متساوية.
النيوترونات قد تكون الجواب. يعتقد بعض الفيزيائيين أن النيوترونات فريدة من نوعها لأنها أيضًا مضاداتها. يعتقد آخرون أن تحول النيوترونات بين النكهات قد يكون الجزء المهم. في أي حال، قد تكون النيوترونات هي التي ألقت بالطرف إلى سيطرة المادة اليوم.
بديلًا، إذا تم إثبات أن النيوترونات ليست مسؤولة، فإن هذا سيعني أن الفيزيائيين يجب أن يرسموا نظرياتهم مرة أخرى حول أصل الكون.
توحيد القوى
لا يزال الاتصال بين القوى الأساسية الأربعة (الكهرومغناطيسية، والقوية النووية، والضعيفة النووية، والجاذبية) غير مفهوم جيدًا.
يمكن أن تساعد DUNE في الكشف عن شيء يُفترض أنه لم يتم ملاحظته تجريبيًا: انحلال البروتون.
يعتمد الفيزيائيون اليوم بشكل رئيسي على نموذج معيار الجسيمات. إنه إطار قوي، لكنه يفشل في تفسير بعض الظواهر ووحدة القوى المختلفة. إذا تم قياس انحلال البروتون، فسوف يعطينا رؤية حول ما هو النموذج البديل الذي سيعمل بدلاً من النظريات الموحدة الكبرى (GUTs)، الجاذبية الكمية، السوبر симتري، إلخ.
الثقوب السوداء
تُنتج النيوترونات بكميات هائلة أثناء انهيار النجوم إلى ثقوب سوداء. يمكن أن تساعد قدرة DUNE الرائعة على الكشف عن النيوترونات في النظر إلى ما يحدث داخل النجوم النيوترونية، وربما الشهود على ولادة ثقب أسود.
هذا، بدوره، يمكن أن يساعدنا على فهم الجاذبية بشكل أفضل، على كل من المقياس الكوني والمقياس الكمومي.
أشخاص DUNE
تتضمن DUNE أكثر من 30 دولة و 1,000 عالم.
مصدر: DUNE
من المستحيل تحديد مساهمة كل عالم في هذا المشروع الجماعي الهائل. ومع ذلك، يمكننا تسليط الضوء على مشاركة بعضهم:
Pantaleo Raimondi
هو المدير الجديد للمشروع لخطة تحسين البروتون-II، بعد حياة كاملة من العمل على معجلات الجسيمات في CERN، DAFNE، و ESFR.
“انضم Pantaleo إلى PIP-II في الوقت المناسب. مع انتهاء جميع الأنشطة التصميمية النهائية، ودفع المرحلة الشرائية، وبدء التخطيط التفصيلي للتكامل والتشغيل، سيكون خبرته في قيادة هذه الجهود في ESRF و في أماكن أخرى قيمة جدًا.”
Allan Rowe – مدير التكامل الفني ل PIP-II
Carlo Rubia
عالم نوبل وسابقًا مدير CERN، طور لأول مرة طريقة الكشف عن النيوترونات المستخدمة من قبل DUNE.
خلال فترته، في عام 1993، “وافقت CERN على السماح لأي شخص باستخدام بروتوكول الويب ورمز بدون أي رسوم أو قيود”.
يمكنك الاستماع إليه يتحدث عن مشروع DUNE ومشاريع أبحاث نيوترونات أخرى مثل ICARUS في هذا الفيديو.
Alexandre Sousa
متخصص في النيوترونات، له تركيز خاص على النيوترونات المعزولة و “فيزياء ما وراء النموذج المعياري”.
“قد لا يحدث فرقًا في حياتك اليومية، لكننا نحاول فهم لماذا نحن هنا. يبدو أن النيوترونات تحمل المفتاح ل回答 هذه الأسئلة العميقة جدًا.
“مع هذه الوحدات الكاشفة، و सबस Powerful شعاع نيوترونات على الإطلاق، يمكننا القيام بالعديد من العلوم. سيكون تفعيل DUNE مثيرًا جدًا. سيكون أفضل تجربة نيوترونات على الإطلاق.”
التكلفة المتزايدة والجدول الزمني
بدأت بناء المشروع في عام 2017، والاستكشاف الأول في داكوتا في عام 2019. بدأ الحفر الأول للمغارة الرئيسية في داكوتا في عام 2021.
في أغسطس 2024، سجل كاشف النموذج الأول نيوترونات متولدة من معجل.
مصدر: DUNE
لم يكن الأمر سهلًا، ومع ذلك. على سبيل المثال، كان على шахة المناجم أن يتم إصلاحها قبل أن يمكن استخراج الصخور لبناء المغارات تحت الأرض، مما أخر المشروع وتكلف بمبلغ إضافي قدره 300 مليون دولار.
كلف تحسين معجل الجسيمات في Fermilab بمبلغ إضافي قدره 1 مليار دولار. كما جاء التحسين مع حادث خطير، حيث سقط عامل من ارتفاع 23 قدمًا على الخرسانة، مما أدى إلى توقف بناء لمدة نصف عام حتى يمكن استعراض إجراءات السلامة.
بشكل عام، كانت التقديرات الأولية للمشروع تضعها عند 1.5 مليار دولار وتنتهي في عام 2035. يبدو الآن أن 3.3 مليار دولار و截止 عام 2040 هو أكثر احتمالًا. عند أخذ كل شيء في الحسبان، قد يكلف المشروع ما يصل إلى 5 مليار دولار للمساهمين الأمريكيين.
هذا أدى إلى بعض الانتقادات في الصحافة و من قبل علماء غير مشاركين.
“نعم، هناك بعض الضجيج هناك، لكن الأشخاص الذين يكتبون هذه الأشياء لا يعرفون ما يتحدثون عنه. الأيام الأولى من المشروع دائمًا ما يتم تعريفها بالتفاؤل الغير واقعي الذي لا يثبت أبدًا.
مرصد جيمس ويب الفضائي تم إطلاقه في ديسمبر 2021 بعد سنوات من التأخيرات وزيادة التكاليف، والآن يكسح الأرض بشكل منتظم. لا يوجد علاج مثل النجاح.”
Ron Ray، نائب مدير مشروع DUNE
مع ذلك، حتى مع التأخير والتكاليف الإضافية، فإن التخلي عن DUNE سيعني أن الولايات المتحدة ت落خ وراء بقية العالم في فيزياء الجسيمات.
المنافسة المتزايدة
هذا هو الحال بشكل خاص حيث أن هناك مشروعين ميغا آخرين في تجارب النيوترونات يزدادان قوة أيضًا. واحد في اليابان وواحد في الصين.
“أي شيء يستحق القيام به يتضمن منافسة. لكن هذا ليس سباق خيول بسيطًا؛ تجارب النيوترونات دائمًا ما涉لت تعاونًا دوليًا.
بالإضافة إلى ذلك، لدى DUNE أهداف إضافية، تشمل البحث عن المادة المظلمة، المادة غير المرئية التي تشكل معظم الكون، ودراسة النيوترونات من الموت الكارثي للنجوم البعيدة.
خلف الكواليس، أحرز علماء DUNE تقدمًا مستمرًا نحو تحسين كاشف الأرجون السائل، الذي كان لا يزال تكنولوجيا جديدة في عام 2012 عندما رهن مصمموا DUNE عليها.
“نظرًا إلى قائمة جميع الأشياء التي يمكن أن تتحول بشكل مختلف، فإن كل النجوم تتماشى.”
Sam Zeller – فيزيائي في Fermilab
Hyper-Kamiokand
Hyper-Kamiokand، أو Hyper-K، هو خليفة Super-Kamiokand، الذي وجد في عام 1998 أول دليل قوي على تذبذب النيوترونات بين أنواع النيوترونات. كان Super-Kamiokand أيضًا حاسمًا في إثبات أن النيوترونات تملك كتلة.
على عكس DUNE، الذي يبحث عن بناء تصميم جديد تمامًا لتجربة النيوترونات، Hyper-K هو أكثر من تحسين على التكنولوجيا الحالية. هذا من المحتمل أن يساعده على التقدم بشكل أسرع، مع بدء التشغيل في أقرب وقت ممكن في عام 2027.
هذا يمكن أن يساعده على الحصول على تقدير أولي خشن للتفاوت بين النيوترونات والمادة المضادة.
Hyper-K و Dune قد يكونان أكثر شراكة من المنافسة، حيث يمكن أن تساعد طرق الكشف عن النيوترونات المختلفة عند إجراء نفس القياس. قد تعمل بعض القياسات بشكل أفضل على أحدهما أكثر من الآخر لأسباب تقنية. نظرًا لتاريخ طويل من التعاون العلمي بين اليابان والولايات المتحدة، من المحتمل أن يكون هناك منافسة وديّة بين Hyper-K و DUNE.
مرصد نيوترونات جيانغمن تحت الأرض (JUNO)
في سياق المنافسة بين القوى العظمى بين الولايات المتحدة والصين، من المحتمل أن يُعتبر JUNO منافسًا لـ DUNE.
“يحوز JUNO على ميزة المبتكر ويتسم بتصميم تجريبي فريد من حيث الفيزياء. كمشروع تعاوني دولي بقيادة الصين، سيساهم JUNO في تعزيز vị trí الرائدة للصين في هذا المجال.”
الكاشف مصنوع من برك أسطوانية sâu 44 مترًا في قاعة تحت الأرض مدفونة глубоко في طبقة جرانيت من تلة. منذ ديسمبر 2024، تم ملأها بماء نقي بسرعة 100 طن في الساعة.
مصدر: Global Times
يحوي هذا البرك الكاشف، الذي يحتوي على 20,000 أنبوب فوتوملتيلبليتر بطول 20 بوصة و 25,000 أنبوب فوتوملتيلبليتر بطول 3 بوصات، بالإضافة إلى كابلات وملفات حماية مغناطيسية وصدفة خفيفة ومركبات أخرى.
تقي البرك الكاشف من التداخل بسبب الأشعة الكونية على الكشف عن النيوترونات، بالإضافة إلى الإشعاع الطبيعي من الصخور المحيطة.
“سيكون حقن السائل في مرحلتين. خلال الشهرين الأولين، سيتم ملء المساحات داخل وخارج الكرة الزجاجية للكاشف المركزي بماء نقي. في الشهور الستة التالية، سيتم استبدال الماء النقي داخل الكرة بمادة مشعة سائلة.
من المتوقع أن يكتمل عملية حقن السائل بالكامل بحلول أغسطس 2025، وبعد ذلك ستبدأ المنشأة رسميًا في تشغيلها وجمع البيانات.”
مشاريع نيوترونات مستقبلية
DUNE و Hyper-K و JUNO هي مشاريع نيوترونات قيد البناء. هناك أخرى لا تزال في مرحلة المفاهيم ولكنها قد تفتح المزيد من الفهم لفيزياء الجسيمات.
واحدة منها هي ENUBET، مشروع أوروبي. سوف يحاول الكشف عن الليبتون المشحون الذي يُنتج كل مرة يتم فيها إنتاج نيوترون. هذا يمكن أن يساعدنا على فهم أفضل للتفاوت بين المادة والمادة المضادة.
أخرى هي NuTag، التي تستخدم تقنية تجريبية جديدة: تعليم النيوترونات. هذا سوف يستخدم نوعًا جديدًا من خط أنابيب النيوترونات. هذا هو تصميم تم اقتراحه في عام 1979، ولكن فقط مؤخرًا أصبحت أجهزة الكشف عن السيليكون قادرة على البقاء على قيد الحياة مع التعرض المباشر لشعاع الهادرون.
استنتاج DUNE
DUNE هو مشروع علمي ميغا لا يبدو له تطبيق مباشر في البداية. في هذا، يتشابه مع معظم العلوم الفيزيائية والفيزياء الكمومية في أوائل القرن العشرين.
然而، هذا الاستكشاف المبكر للجوانب الأساسية لواقعنا في النهاية произведت نتائج ضرورية للتقدم مثل الطاقة النووية (والقنابل)، والمجهر الإلكتروني، وشريحة الميكرو، والأقمار الصناعية، إلخ.
من المحتمل أن يؤدي فهم أفضل للنيوترونات إلى نتائج مماثلة على التقدم التكنولوجي، معظمها غير قابل للتنبؤ به بعد عقود.
فهم أفضل للنيوترونات وكيفية إنتاجها يمكن أن يؤدي أيضًا إلى تطبيقات متنوعة:
- تحويل الوقود المستخدم من مفاعلات نووية إلى مواد ذات نشاط إشعاعي أقل، أو استخدام النيوترونات لمراقبة الوقود الإشعاعي.
- استخدام النيوترونات لمراقبة الغواصات النووية تحت الماء، التركيز على برنامج الكشف عن النيوترونات السري لداربا.
- فحص الأرض لتحديد الفراغات المحتملة لترسبات النفط أو المعادن.
- اتصالات النيوترونات، ربما حتى الاتصالات بين النجوم في المستقبل البعيد.
شركة النيوترونات
طاقة النيوترونات
على الرغم من أن علم النيوترونات غني بالتطبيقات المحتملة في المستقبل، يبدو أنه بعيدًا عن الاستخدام العادي للتطبيقات التجارية. ومع ذلك، قد تتغير هذه الحالة وفقًا لشركة أوروبية طموحة، Neutrino Energy.
الشركة ت探ور مفهوم جديد تمامًا: نيوترونوولتيكس، أو توليد الكهرباء من تدفق النيوترونات المستمر حولنا. وكيف يعمل هذا، من خلال استخدام طبقة من الجرافين، مادة ثنائية الأبعاد مصنوعة من الكربون.
هذا سوف يُحول الحركة الحرارية (البراونية) للذرات الجرافين إلى كهرباء قابلة للاستخدام، بشكل أساسي لإنتاج الطاقة من لا شيء. ظاهرة مماثلة تحدث للغرافين، مع نيوترونات “دفع” نوى الذرات، كما هو الحال مع ذرات الأرجون في كاشف النيوترونات DUNE.
أعلنت الشركة عن نموذجها الأولي القادم، يسمى Powercube، الذي من المفترض أن يُظهر التكنولوجيا، تم تطويرها بمساعدة الذكاء الاصطناعي.
كما تعمل الشركة مع مركز تكنولوجيا المواد الإلكترونية (CMET) في الهند، بهدف “إنشاء مركبة كهربائية تعمل بالطاقة الذاتية باستخدام تكنولوجيا نيوترونوولتيكس”.
من الصعب القول كيف близ هذا المفهوم من التطبيق التجاري، حيث يبدو أنه لم يتم الكشف عن أي شيء حول الإنتاج القوي أو الاقتصاد بعد. لكن هذا بالتأكيد أقرب إلى “شركة نيوترونات” حاليًا في السوق.
