في خطوة علمية غير مسبوقة، تمكّن الباحثون من اكتشاف الجسيمات المضادة للمادة المعروفة بالأنتينوترينو باستخدام ماء نقي مدفون تحت كيلومترات من الصخور في أونتاريو كندا، كانت هذه هي المرة الأولى التي يُستخدم فيها الماء لاكتشاف جسيم الأنتينوترينو، الذي انطلق من مفاعل نووي يبعد أكثر من 240 كيلومترا (150 ميلاً).

هذه الاختراق العلمي، الذي تم نشره في دراسة عام 2023، يمهد الطريق لتجارب مستقبلية على جسيمات النيوترينو وتكنولوجيا المراقبة التي تستخدم مواد آمنة، قابلة للاقتناء بسهولة، ورخيصة الثمن.

ما هو الأنتينوترينو وكيفية اكتشافه؟

تُعتبر جسيمات النيوترينو من أكثر الجسيمات وفرة في الكون، ولكنها غامضة للغاية، حيث تتمتع بخصائص غريبة. فهي تقريبا بلا كتلة، ولا تحمل شحنة، وتفاعلها مع الجسيمات الأخرى يكاد يكون معدوما، تتسرب هذه الجسيمات عبر الفضاء والصخور كما لو أن المادة غير موجودة، وهذا هو السبب في تسميتها بـ "جسيمات الأشباح".

أما الأنتينوترينوات فهي الجسيمات المضادة للنيوترينوات. وعادةً ما يكون للجسيمات المضادة شحنة معاكسة لجسيماتها الأصلية، في حالة الأنتينوترينو، يمكن التفريق بينها وبين النيوترينو بناءً على وجود الإلكترون: حيث يظهر النيوترينو مع البوزيترون بينما يظهر الأنتينوترينو مع الإلكترون.

استخدام الماء لاكتشاف التفاعلات النووية

يتم إنتاج الأنتينوترينوات بكميات كبيرة من المفاعلات النووية، ولكنها منخفضة الطاقة مما يجعل اكتشافها أمرا صعبا، لحل هذه المشكلة، قامت سنو+، وهو أعمق مختبر تحت الأرض في العالم، بتطوير جهاز خاص للكشف عن هذه الجسيمات.

المختبر يقع تحت أكثر من 2 كيلومتر من الصخور، مما يوفر حماية فعالة ضد أشعة كونية تداخلت مع النتائج، يحتوي المختبر على خزان كروي يزن 780 طنًا، مملوء بمادة الآلكيل بنزين السائلة، وهي مادة مهيجة للضوء، في عام 2018، أثناء فترة المعايرة، تم ملء الخزان بماء نقي.

كيف نجح "سنو+" في اكتشاف الأنتينوترينوات؟

من خلال فحص بيانات تم جمعها خلال 190 يوما من فترة المعايرة في 2018، اكتشفت مجموعة سنو+ إشارات لحدوث تفكك بيتا العكسي، وهو تفاعل يحدث عندما يتفاعل الأنتينوترينو مع بروتون لإنتاج بوزيترون ونيوترون.

عادةً ما يكون من الصعب على أجهزة الكشف عن المياه اكتشاف إشارات تحت 3 ميغا إلكترون فولت، لكن جهاز سنو+ كان قادرا على اكتشاف إشارات حتى 1.4 ميغا إلكترون فولت، مما أتاح له فعالية بنسبة 50% لاكتشاف إشارات عند 2.2 ميغا إلكترون فولت.

النتائج وتأثيراتها المستقبلية

تُظهر النتائج أن أجهزة الكشف المملوءة بالماء يمكن أن تكون أداة فعّالة لمراقبة إنتاج الطاقة في المفاعلات النووية، كما أن هذه الاكتشافات قد تكون خطوة مهمة نحو فهم أفضل للأنتينوترينوات والنيوترينوات، خاصة مع البحث المستمر حول ما إذا كانت الجسيمات المضادة والنيوترينوات هي نفس الجسيم.

نظرة مستقبلية: ماذا بعد؟

يسعى العلماء الآن إلى اكتشاف تفاعل نادر وغير مسبوق قد يجيب على السؤال حول ما إذا كانت الأنتينوترينوات والنيوترينوات هي نفس الجسيم، في الوقت الحالي، يواصل مختبر سنو+ البحث عن هذه التفاعلات الغامضة.

كما قال لوجان ليبانوسكي، أحد أعضاء فريق سنو+ في جامعة كاليفورنيا، بيركلي: "من المدهش أن الماء النقي يمكن أن يُستخدم لقياس الأنتينوترينوات من مفاعلات نووية على مسافات بعيدة، وهذا يشكل اختراقا مذهلاً في علم الفيزياء."