نوفا

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة

مقارنة بين كاشفات NO ν A البعيدة والقريبة بحجم طائرة إيرباص A380.

تجربة NOνA ( ظهور نيوترينو الإلكترون خارج المحور في NuMI ) هي تجربة في فيزياء الجسيمات مصممة لرصد النيوترينوات في حزمة NuMI ( النيوترينوات عند المحقن الرئيسي) في مختبر فيرميلاب . تهدف NOνA إلى أن تكون خليفة لتجربة MINOS ، وتتكون من كاشفين، أحدهما في فيرميلاب ( الكاشف القريب )، والآخر في شمال مينيسوتا ( الكاشف البعيد ). تمر النيوترينوات القادمة من NuMI عبر 810 كيلومترات من سطح الأرض للوصول إلى الكاشف البعيد. الهدف الرئيسي من NOνA هو رصد تذبذب نيوترينوات الميون إلى نيوترينوات الإلكترون. الأهداف الفيزيائية الأساسية لـ NOνA هي: [ 1 ] 

أهداف الفيزياء

الأهداف الرئيسية

تُحدد معلمات تذبذب النيوترينو بواسطة مصفوفة PMNS وفروق مربعات الكتل بين حالات الطاقة الذاتية لكتلة النيوترينو . بافتراض مشاركة ثلاثة أنواع من النيوترينوات في عملية المزج، توجد ستة متغيرات تؤثر على تذبذب النيوترينو: الزوايا الثلاث θ₁₂ و θ₂₃ و θ₁₃ ، وطور δ الذي ينتهك تناظر الشحنة الزوجية ، وأي اثنين من فروق مربعات الكتل الثلاثة. لا يوجد حاليًا سبب نظري مقنع لتوقع أي قيمة محددة لهذه المعلمات أو علاقة بينها.

أظهرت عدة تجارب أن قيمتي θ 23 و θ 12 غير صفريتين، إلا أن البحث الأكثر دقة عن قيمة θ 13 غير الصفرية الذي أجراه فريق Chooz لم يُسفر إلا عن حد أعلى. في عام 2012، تم قياس قيمة θ 13 في خليج دايا ، وكانت غير صفرية بدلالة إحصائية بلغت 5.2 σ . [ 2 ] وفي العام التالي، اكتشف تلسكوب T2K الانتقال νμ→νهـ {\displaystyle \ \nu _{\mu }\rightarrow \nu _{e}\ }باستثناء فرضية عدم الظهور بدلالة إحصائية قدرها 7.3 σ . [ 3 ] لم يتم قياس قيمة δ . القيم المطلقة لفرقَي مربعَي الكتل معروفة، ولكن نظرًا لصغر أحدهما مقارنةً بالآخر، لم يتم تحديد ترتيب الكتل.

بافتراض أن احتمالات التذبذب قريبة من الحد الحالي، مع تجاهل تأثيرات المادة، فإن NO ν A سيلاحظ الذروة الأولى.

يُعد جهاز NO ν A أكثر حساسية بمقدار عشرة أضعاف لـ θ 13 من الجيل السابق من التجارب، مثل MINOS . وسيقيسه من خلال البحث عن الانتقال.νμ→νهـ{\displaystyle \nu _{\mu }\rightarrow \nu _{e}}في حزمة فيرميلاب NuMI . إذا أمكن تحديد قيمة غير صفرية لـ θ 13 بواسطة NO ν A، فسيكون من الممكن الحصول على قياسات لـ δ وترتيب الكتلة من خلال الملاحظة أيضًا. ν¯μ→ν¯هـ .{\displaystyle \ {\bar {\nu }}_{\mu }\rightarrow {\bar {\nu }}_{e}~.}يمكن قياس المعامل δ لأنه يُعدّل احتمالات التذبذب بشكل مختلف للنيوترينوات والنيوترينوات المضادة. وبالمثل، يمكن تحديد ترتيب الكتلة لأن النيوترينوات تمر عبر الأرض، مما يُعدّل، من خلال تأثير الموجات المغناطيسية الأرضية ، احتمالات التذبذب بشكل مختلف للنيوترينوات والنيوترينوات المضادة. [ 4 ]

أهمية

تُعدّ كتل النيوترينو وزوايا مزجها، على حد علمنا، ثوابت أساسية في الكون. ويُشكّل قياسها شرطًا أساسيًا لفهمنا للفيزياء. فمعرفة قيمة معامل انتهاك تناظر الشحنة الزوجية δ ستساعدنا على فهم سبب وجود عدم تناظر بين المادة والمادة المضادة في الكون . كما أن نظرية آلية التوازن (Seesaw) تُشير إلى أن الكتل الصغيرة جدًا للنيوترينوات قد تكون مرتبطة بكتل كبيرة جدًا لجسيمات لا نمتلك حتى الآن التكنولوجيا اللازمة لدراستها بشكل مباشر. وبالتالي، تُعدّ قياسات النيوترينو وسيلة غير مباشرة لدراسة الفيزياء عند الطاقات العالية للغاية. [ 4 ]

في نظريتنا الفيزيائية الحالية، لا يوجد ما يبرر أن تكون لزوايا مزج النيوترينو قيم محددة. ومع ذلك، من بين زوايا مزج النيوترينو الثلاث، تم تحديد الزاوية θ12 فقط على أنها ليست عظمى ولا صغرى. إذا استمرت قياسات NO ν A والتجارب المستقبلية الأخرى في إظهار أن θ23 هي الزاوية العظمى و θ13 هي الزاوية الصغرى ، فقد يشير ذلك إلى وجود تناظر غير معروف في الطبيعة. [ 4 ]

العلاقة بالتجارب الأخرى

يُمكن لتجربة NOνA أن تُحدد التسلسل الهرمي للكتلة نظرًا لعملها عند طاقة عالية نسبيًا. ومن بين التجارب الجارية حاليًا، تتمتع هذه التجربة بأوسع نطاق لإجراء هذا القياس بدقة عالية مع أقل اعتماد على قيمة δ . ستعتمد العديد من التجارب المستقبلية التي تسعى إلى إجراء قياسات دقيقة لخصائص النيوترينو على قياسات NOνA لتحديد كيفية ضبط أجهزتها لتحقيق أعلى دقة، وكيفية تفسير نتائجها.

تجربة مشابهة لتجربة NO ν A هي T2K ، وهي تجربة حزمة نيوترينو في اليابان. وكما هو الحال في NO ν A، تهدف T2K إلى قياس θ 13 و δ . يبلغ طول خط الأساس فيها 295 كم، وتستخدم نيوترينوات ذات طاقة أقل من تلك المستخدمة في NO ν A، حوالي 0.6 جيجا إلكترون فولت. ونظرًا لأن تأثيرات المادة تكون أقل وضوحًا عند الطاقات المنخفضة وخطوط الأساس الأقصر، فإنها غير قادرة على تحديد ترتيب الكتلة لمعظم القيم المحتملة لـ δ . [ 5 ]  

كما أن تفسير تجارب الاضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو سيستفيد من معرفة ترتيب الكتلة، لأن التسلسل الهرمي للكتلة يؤثر على الأعمار النظرية لهذه العملية. [ 4 ]

تتمتع تجارب المفاعلات أيضًا بالقدرة على قياس θ 13. ورغم أنها لا تستطيع قياس δ أو ترتيب الكتلة، إلا أن قياسها لزاوية الخلط لا يعتمد على معرفة هذه المعلمات. التجارب الثلاث التي قاست قيمة θ 13 ، مرتبة تنازليًا حسب الحساسية، هي: دايا باي في الصين، ورينو في كوريا الجنوبية، ودبل تشوز في فرنسا، والتي تستخدم  خطوط أساس بطول 1-2 كيلومتر، مُحسَّنة لرصد أول قيمة عظمى للتذبذب المُتحكم به لـ θ 13. [ 6 ]

الأهداف الثانوية

إضافةً إلى أهدافها الفيزيائية الأساسية، سيتمكن مشروع NO ν A من تحسين قياسات معلمات التذبذب المقاسة مسبقًا. ويُعدّ NO ν A، مثل مشروع MINOS ، مناسبًا تمامًا لرصد نيوترينوات الميون، وبالتالي سيُسهم في تحسين معرفتنا بـ θ 23 .

يُستخدم كاشف NO ν A القريب لإجراء قياسات لمقاطع التفاعل النيوترينوية التي لا تُعرف بدقة عالية حاليًا. وتُكمّل قياساته في هذا المجال تجارب أخرى مماثلة قادمة، مثل MINER ν A ، التي تستخدم أيضًا حزمة NuMI . [ 7 ]

نظرًا لقدرته على رصد النيوترينوات المنبعثة من المستعرات العظمى المجرية ، يُعدّ مرصد NO ν A جزءًا من نظام الإنذار المبكر للمستعرات العظمى . ويمكن ربط بيانات المستعرات العظمى المُستقاة من NO ν A مع بيانات مرصد سوبر-كاميوكاندي لدراسة تأثيرات المادة على تذبذب هذه النيوترينوات. [ 4 ]

تصميم

لتحقيق أهدافها الفيزيائية، يجب أن يكون NO ν A فعالاً في اكتشاف نيوترينوات الإلكترون، والتي من المتوقع أن تظهر في حزمة NuMI (المكونة أصلاً من نيوترينوات الميون فقط) نتيجة لتذبذب النيوترينو.

مقطع عرضي للأرض يوضح مختبر فيرميلاب، ومشروع مينوس، ومشروع NO ν A، وفقًا للمقياس. الخط الأحمر هو المحور المركزي لشعاع مشروع مينوس .

نجحت تجارب النيوترينو السابقة، مثل تجربة MINOS ، في تقليل التشويش الناتج عن الأشعة الكونية بفضل وجودها تحت الأرض. مع ذلك، تقع تجربة NO ν A على السطح، وتعتمد على معلومات توقيت دقيقة وطاقة شعاع محددة جيدًا لتقليل التشويش الناتج عن الخلفية. تقع هذه التجربة على بُعد 810  كيلومترات من مصدر شعاع NuMI ، وعلى بُعد 12 كيلومترًا (14 ملي راديان) غرب المحور المركزي للشعاع. في هذا الموقع، تُحلل التجربة شعاعًا ذا توزيع طاقة أضيق بكثير مما لو كانت في المركز، مما يُقلل تأثير التشويش بشكل أكبر. [ 4 ]  

صُمم الكاشف على شكل زوج من كواشف الوميض السائل ذات الحبيبات الدقيقة. يتكون الكاشف البعيد، الموجود في شمال مينيسوتا، من حوالي 500,000  خلية، أبعاد كل منها 4  سم × 6  سم × 16  م، مملوءة بسائل الوميض . يُلتقط ضوء الوميض بواسطة ألياف بصرية مصنوعة من مُغير الطول الموجي ، ويتصل طرفاها بثنائي ضوئي انهياري للقراءة.

كاشف NO ν A القريب. (المزيد من الأشكال في فيرميلاب [ 8 ] )

يتميز الكاشف القريب في مختبر فيرميلاب، الذي قاس حزمة النيوترينو غير المتذبذبة، بنفس التصميم العام للكاشف البعيد، وتبلغ كتلته حوالي 1/200 من كتلة الكاشف البعيد. يتكون هذا الكاشف، الذي يزن 222 طنًا ، من 186 مستوى من الخلايا المملوءة بمادة وميضية (6 مجموعات من 31 مستوى) متبوعة بملتقط للميونات . على الرغم من أن جميع المستويات متطابقة، تُستخدم المستويات الستة الأولى كمنطقة استبعاد؛ حيث يُفترض أن وابلات الجسيمات التي تبدأ فيها ليست نيوترينوات ويتم تجاهلها. أما المستويات الـ 108 التالية فتُستخدم كمنطقة مرجعية؛ حيث تُعد وابلات الجسيمات التي تبدأ فيها تفاعلات نيوترينو ذات أهمية. أما المستويات الـ 72 الأخيرة فهي "منطقة احتواء الوابل" التي ترصد الجزء الخلفي من وابلات الجسيمات التي بدأت في المنطقة المرجعية. وأخيراً، تم بناء منطقة "صائد الميون" بطول 1.7 متر من صفائح فولاذية متداخلة مع 10 مستويات نشطة من الوميض السائل.         

تعاون

يضم مشروع NO ν A علماء من عدد كبير من المؤسسات، حيث تتولى كل مؤسسة مهامًا مختلفة. ويجتمع الفريق، وفروعه، بانتظام عبر الهاتف أسبوعيًا، وحضوريًا عدة مرات في السنة. المؤسسات المشاركة حتى مايو  2024 هي: [ 9 ]

تاريخ التمويل

في أواخر عام 2007، اجتاز مشروع NO ν A مراجعة "القرار الحاسم 2" من وزارة الطاقة  ، ما يعني تقريبًا الموافقة على تصميمه وتكلفته وجدوله الزمني وأهدافه العلمية. وقد سمح هذا أيضًا بإدراج المشروع في طلب ميزانية وزارة الطاقة المقدم إلى الكونغرس. (مع ذلك، كان مشروع NO ν A لا يزال بحاجة إلى مراجعة "القرار الحاسم  3" لبدء أعمال الإنشاء).

في 21  ديسمبر/كانون الأول 2007، وقّع الرئيس بوش قانون الإنفاق الشامل ، HR  2764، الذي خفّض تمويل فيزياء الطاقة العالية بمقدار 88  مليون دولار من القيمة المتوقعة البالغة 782  مليون دولار. [ 10 ] كما خُفّضت ميزانية مختبر فيرميلاب  بمقدار 52 مليون دولار. [ 11 ] ونصّ هذا القانون صراحةً على أنه "لا تُخصّص أيّة أموال لنشاط NO ν A في تحسينات مُجمّع تيفاترون ضمن تمويل فيزياء مُسرّعات البروتونات ". [ 12 ] [ 13 ] لذا، ورغم احتفاظ مشروع NO ν A بموافقة كلٍّ من وزارة الطاقة ومختبر فيرميلاب، إلا أن الكونغرس لم يُخصّص أيّة أموال للمشروع في السنة المالية 2008 لبناء كاشفه، أو دفع رواتب موظفيه، أو مواصلة السعي وراء النتائج العلمية. ومع ذلك، في يوليو  2008، أقر الكونجرس ووقع الرئيس على مشروع قانون ميزانية تكميلية، [ 14 ] والذي تضمن تمويلًا لـ NO ν A، مما سمح للتعاون باستئناف عمله.

بدأ تشغيل النموذج الأولي للكاشف القريب NO ν A (الكاشف القريب على السطح، أو NDOS) في مختبر فيرميلاب في نوفمبر وسجل أول نيوترينواته من حزمة NuMI في 15  ديسمبر 2010. [ 15 ] كنموذج أولي، خدم NDOS التعاون بشكل جيد في تحديد حالة استخدام واقتراح تحسينات في تصميم مكونات الكاشف التي تم تركيبها لاحقًا ككاشف قريب في مختبر فيرميلاب، وكاشف بعيد في آش ريفر، مينيسوتا ( 48°22′45″ شمالًا 92°49′54″ غربًا / 48.37912° شمالًا 92.83164° غربًا / 48.37912؛ -92.83164 ( كاشف NO ν A البعيد ) ).

بعد اكتمال بناء مبنى NO ν A، بدأ بناء وحدات الكاشف. وفي 26  يوليو 2012، تم وضع أول وحدة في مكانها. واستمر وضع الوحدات ولصقها لأكثر من عام حتى امتلأت قاعة الكاشف.

تم رصد أول حالة في 11  فبراير 2014، واكتمل البناء في سبتمبر من ذلك العام. وبدأ التشغيل الكامل في أكتوبر  2014. [ 16 ]

مراجع

  1. ↑ رادوفيتش، ألكسندر (12 يناير 2018). "أحدث نتائج التذبذب من NO ν A" . الفيزياء التجريبية والنظرية المشتركة. قاعدة بيانات وثائق NO ν A (بيان صحفي). باتافيا، إلينوي: فيرميلاب . تم الاطلاع عليه في 30 مارس 2018 – عبر fnal.gov.
  2. ↑ آن، إف بي؛ باي، جيه زد؛ بالانتكين، إيه بي؛ باند، إتش آر؛ بيفيس، دي؛ بيريجويت، دبليو؛ وآخرون (مجموعة دايا باي) (8 مارس 2012). "ملاحظة اختفاء نيوترينو الإلكترون المضاد في دايا باي " . رسائل المراجعة الفيزيائية . 108 (17) 171803. arXiv : 1203.1669 . Bibcode : 2012PhRvL.108q1803A . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.171803 . PMID 22680853. S2CID 16580300 .   
  3. ↑ آبي، ك.؛ وآخرون (مجموعة T2K) (16 أبريل 2014). "ملاحظة ظهور نيوترينو الإلكترون في حزمة نيوترينو الميون". رسائل المراجعة الفيزيائية . 112 (6) 061802. arXiv : 1311.4750 . Bibcode : 2014PhRvL.112f1802A . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.061802 . PMID 24580687. S2CID 2586182 .   
  4. 1 2 3 4 5 6 آيرز، دي إس؛ وآخرون (مجموعة تعاون NO ν A) (2005). "مقترح NO ν A لبناء كاشف خارج المحور بقوة 30 كيلوطن لدراسة تذبذبات النيوترينو في خط شعاع NuMI في مختبر فيرميلاب ". arXiv : hep-ex/0503053 .  
  5. ↑ "تجربة تذبذب النيوترينو في مختبر جيه إتش إف" (ملف PDF) . تعاون T2K (خطاب نوايا). مختبر جيه إتش إف. 21 يناير 2003.
  6. ↑ كاو، ج . (مايو 2006) [27 سبتمبر 2005]. "تجربة نيوترينو خليج دايا". الفيزياء النووية ب: ملاحق وقائع . 155 : 229-230 . arXiv : hep-ex/0509041 . doi : 10.1016 /j.nuclphysbps.2006.02.057 . S2CID 242130. تهدف تجربة نيوترينو خليج دايا إلى قياس sin²θ¹³ بدقة أفضل من 0.01 عند مستوى ثقة 90% خلال ثلاث سنوات. يُعرض في هذا البحث موقع التجربة، وتصميم الكاشف، وتقدير الخلفية. 
  7. ↑ ماكفارلاند، ك.؛ وآخرون (فريق تعاون MINER ν A) (سبتمبر 2006). "MINER ν A: تجربة مخصصة لتشتت النيوترينو في NuMI". الفيزياء النووية ب: ملاحق وقائع . 159 : 107-112 . arXiv : physics/0605088 . Bibcode : 2006NuPhS.159..107M . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2006.08.073 . S2CID 14356072 .  
  8. ↑ "نظرة عامة على الكاشف" . fnal.gov . NO ν A. Batavia، IL: فيرميلاب .
  9. ^ "لا يوجد تعاون " . لا .​ ​باتافيا، إلينوي: فيرميلاب . تم الاسترجاع في 31 مايو 2024 .
  10. ↑ "اختتام دورة الميزانية بنتائج علمية مخيبة للآمال لوزارة الطاقة" . نشرة معلومات عامة رقم 121. المعهد الأمريكي للفيزياء . 18 ديسمبر 2007. تاريخ الاطلاع: 21 ديسمبر 2007 . 
  11. ↑ وركينغ، راسل (20 ديسمبر 2007). "تخفيض ميزانية مختبر فيرمي بمقدار 52 مليون دولار، ومن المرجح تسريح بعض الموظفين" . شيكاغو تريبيون . مؤرشف من الأصل في 24 ديسمبر 2007. تم الاطلاع عليه في 21 ديسمبر 2007 . 
  12. ↑ «تعديلات مجلس النواب على تعديل مجلس الشيوخ على مشروع قانون مجلس النواب رقم 2764 - قانون مخصصات الدولة والعمليات الخارجية والبرامج ذات الصلة، 2008» (ملف PDF) . القسم ج - الطاقة والمياه. لجنة قواعد مجلس النواب الأمريكي (rules.house.gov) . قانون المخصصات الموحد، 2008. صفحة 39 (صفحة 79 من ملف PDF). مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 26 ديسمبر 2007. تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 ديسمبر 2007 .    
  13. ↑ "صفحة فهرس التعديل بأكمله" . لجنة قواعد مجلس النواب الأمريكي (rules.house.gov) . HR 2764. مؤرشف من الأصل في 26 ديسمبر 2007. 
  14. ↑ مينكل، الابن (7 يوليو 2008). "نجاة مختبر فيرمي من الإغلاق - في الوقت الحالي" . مجلة ساينتفك أمريكان .
  15. ↑ "أول نيوترينوات لكاشف نموذجي لـ NO ν A" . فيرميلاب توداي . 21 ديسمبر 2010. ص 1. تم الاطلاع عليه في 22 ديسمبر 2010 . 
  16. ↑ " تجربة فيرميلاب للنيوترينو لمسافة 500 ميل جاهزة للعمل" . وكالة أنباء التفاعلات. 6 أكتوبر 2014 - عبر موقع interactions.org.