نيوترينو

مقدمة عامة

النيوترينات هي جسيمات أولية، تقدر قيمة "كمية" دورانها الزاوي "المغزلي" spin بـ ½، ويمكن تصنفيها بذلك مع الجسيمات التي من فصيلة الفرميون. كان العلماء وإلى عهد قريب يعتقدون أن كتلة هذه الجسيمات تساوي 0، غير أن التجارب التي أجريت مؤخرا أثبتت أنه ورغم كون هذه الجسيمات صغيرة جدا إلا أن كتلتها تختلف عن الصفر.

القياس العملي للنيوترينو

بعد افتراض وجود النيوترينو من قبل العالم ولفجانج باولي اقترح "وانغ غانشانغ" في عام 1942 طريقة للكشف عنه معمليا من خلال  اصطياد إلكترون (أحد تحللات بيتا) .
وفي عدد 20 يوليو 1956 من المجلة العلمي "ساينس" قام الباحثون كلايد كوان ، و فريدريك راينس ، و "إف. هاريسون" ، و "إتش. كروزه" ، و" إيه. ماكغير" بنشر نتائج تجاربهم واكتشافهم النيوترينو (نيوترينو الإلكترون) عمليا .
وكانت تلك النتيجة سببا في منح الباحثين جائزة نوبل للفيزياء في عام 1995 ، أي بعد الأكتشاف بنحو 40 عاما. 
عرفت تلك التجربة فيما بعد "بتجربة كووان - راينس للنيوترينو"، حيث تولدت مضادات النيوترينوات الإلكترونية في  مفاعل نووي من تحلل بيتا وتفاعلت مع البروتونات في حوض المفاعل النووي فأنتجت نيوترونات و  بوزيترونات، طبقا للتفاعل
⁺
ν
ₑ + 
p⁺
 → 
n⁰
 + e
(في هذا التفاعل يتفاعل مضاد النيوترينو (يسار) مع البروتون ، فينتج نيوترونا و بوزيترون    (+ e موجب الشحنة )
كل واحد من البوزيترونات (موجب الشحنة) يجد سريعا إلكترونا (سالب الشحنة) يتفاعل معه مؤديا إلى تفاعل إفناء ، حيث يفنى  كل زوج منهم وينتجا أشعة غاما التي أمكن تسجيلها. في نفس اللحظة  أمكن تسجيل النيوترونات الناتجة حيث تنتج أشعة غاما هي الأخرى في الحساس آنيا. ويتم الكشف عن أشعة غاما الناتجة من  تفاعل الإفناء و أشعة غاما الناتجة من النيوترونات في الحساس "آنيا" - أي خلال فترة زمنية اتساعها عدة مللي ثانية  ؛ فتسجيلهما آنيا هو  دليل على تفاعل مضاد النيوترينو مع البروتون.

تذبذب النيوترينوات

يتذبذب النيوترينو أثناء طيارنه بين الثلاثة نكهات . فمثلا عندما ينشأ نيوترينو الإلكترون خلال تحلل بيتا فربما يتفاعل مع مكشاف  أو عداد  كنيوترينو ميووني أو نيوترينو تاووي . ويحدث هذا التذبذب أو الرنين بسبب أن الثلاثة  نكهات تتحرك بسرعات مختلفة قريبة من بعضها البعض ، بحيث أن حزمهم الموجية الكمومية تكون منزاحة الأطوار ، ومع تطابق تلك الاطوار تنشأ الثلاثة نكهات  للنيوترينو.
تلك الطبيعة الفريدة للنيوترينوات أذهلت الباحثين فترة طويلة فلم يتوصلوا إليها إلا بعد العديد من الدراسات خلال سنوات طويلة ، حيث كانت قياساتهم الأولية لم يكن لها تفسير إلا عن طريق أن النيوترينو يتذبذب خلال طريقه ويظهر بنكهات مختلفة .

نيوترينوات الشمس وتجربة هومستاك

كان العالم ريموند ديفيس بجامعة بنسلفانيا قد خصص وقتاً كبيراً من عمره لاستكشاف النيوترينات القادمة من الشمس فأنشأ أول كاشف نيوترينات في العام 1961 على عمق 4800 قدم تحت الأرض. مكان التجربة كان في منجم ذهب تحت الأرض يسمى منجم هومستاك ، وكان المكشاف يتكون من خزانا كبيرا يحوي 380 متر مكعب من " بركلورو إيثيلين " وهو منظف كيميائي جاف يحتوي على الكلور. وكان لابد من إجراء التجربة عميقا تحت الأرض للتخلص من تأثير الأشعة الكونية ، واختيار مكشاف ضخم للقيام بعد النيوترينوات على هذا العمق. و كان اختيار بركلوروإيثيلين   Perchloroethylene كمكشاف حيث أن نيوترينو الإلكترون (وهو الوحيد الذي كان معروفا في ذلك الوقت) يتفاعل مع نواة الكلور-37 ويحوله إلى ارغون-37 وهو مشع ، وعن طريق الأشعة الصادرة من الأرغون-37 يمكن عد النيوترينوات القادمة من الشمس. تفاعل النيوترينو مع الكلور يسير كالتالي:
هذا التفاعل يجري ابتداءا من حافة طاقة قدرها   0.814 مليون إلكترون فولط, لا بد أن تكون طاقة النيوترينو أعلى منها لكي يتم التفاعل مع نواة الكلور-37 .
تفاعل النيوترينو مع المادة بصفة عامة يحدث نادرا ، فكان ديفيز يطلق غاز الهيليوم خلال خزان المكشاف لجمع ذرات الأرغون لتي تكونت . وكانت تعبأ منها عدة سنتيمترات مكعبة في عداد غازي ( مع جزء من الكلور المستقر) لقياس تحلل الأرغون ، وتعيين عدد النيوترينوات التي تفاعلت . بهذه الطريقة استطاع "ديفيز" تعيين عدد النيوترينوات  .
أجريت تجربة هومستاك في الستينيات من القرن الماضي وقامت بقياس عدد النيوترينوات القادمة من قلب الشمس وكان عدده بين ثلث إلى نصف العدد المتوقع والمحسوبة على أساس النموذج الأساسي للشمس. عدم التوافق هذا بين التجربة والنظرية أصبحت معروفة مشكلة نيوترينو الشمس ، وظلت لا حل لها نحو ثلاثين عاما - ظل خلالها الباحثون التدقيق في حساباتهم للتفاعلات في الشمس وطريقة القياس العملي للنيوترينوات بلى جدوى.  خلال تلك الفترة اكتشف نيوترينو الميوون ونيوترينو تاو ، وافترض بعض العلماء أن الثلاثة نيوترينوات ربما تكون لهم كتل مختلفة ، وربما بالتالي أنهم يتذبذبون أثناء طيرانهم إلى الأرض ويظهرون في في نكهات لا يستطيع المكشاف هنا عدّهم.
وعكف العلماء على الاستكشاف العملي لهذا الافتراض وأجريت تجارب مختلفة كثيرة .
في تجارب أجريت في التسعينات في أنحاء مختلفة من العالم وباستعمال كواشف أخرى أدت إلى التأكد من خاصية  "تذبذبات النيوترينات | Neutrino Oscillations". تقاسم دافيز في العام 2002 جائزة نوبل في الفيزياء مع ماساتوشي كوشيبا لأبحاث متعلقة بهذه الظاهرة. 
وفي 2015 تم منح كل من الياباني تاكاكي كاجيتا والكندي أرثر ماكدونالد - لتجربة مرصد سودبوري للنيوترينو]] -   جائزة نوبل للفيزياء لاكتشافهم تذبذب النيوترينو مبينين بذلك أن نيوترينو له كتلة .  تجربة  مرصد  سودبوري استطاعت قياس الثلاث نكهات للنيوترينو ، وكان العدد الكلي لهم مساويا لما تأتي به الحسابات النظرية.

سرعة النيوترينوات

وفقا لقوانين النظرية النسبية لأينشتاين، إذا كانت النيوترينوات لها كتلة لاصفرية فينبغي ألا تصل إلى سرعة الضوء ولكن لم تثبت حتى اليوم تجارب دقيقة تؤكد كتلة لها .
كان فريق أوبرا التابع لمشروع سيرن قد أعلن في أواخر 2011 عن تأكيدات التجارب السابقة التي أجريت في الثمانينات من القرن الماضي بأن سرعة النيوترينوات أكبر قليلاً من سرعة الضوء(1.00005 من سرعة الضوء) وحتى مع صحة الادعاء فقد كانت لا تزال ضمن مبدأ الريبة.
لاحقاً في يونيو 2012، راجعت سيرن بقياساتها الجديدة التي أجريت في تجارب ساسو الأربعة (أوبرا، إيكاروس، بوركسينو، ومجس الحجم الكبير LVD) التصريح السابق لأوبرا مؤكدين على أن سرعة النيوترينات بقت ضمن مجال سرعة الضوء ولم تتجاوزه.

ثلاثة أجيال من النيوترينو ونقيض النيوترينو

تعتبر النيوترينوات من ضمن الليبتونات . وكل من اللبتونات يتكون من جسيم مشحون كهربائيا : الإلكترون و ميون و تاوون ويتمي لكل منهم نيوترينو متعادل الشحنة : نيوترينو-الإلكترون (), ونيوترينو-الميون () ، ونيوترينو-التاوون (). بالإضافة لكل هؤلاء توجد مضادتها ممثلة في 6 من مضاد المادة.
كل جسيم من اللبتونات له عزم مغزلي 1/2 .
طبقا للمعلومات الحديثة يمكن للنيوترينوات التحول من نوع إلى نوع ، حيث تشكل الثلاثة أنواع تتطابق لثلاثة حالات كمومية  و  و  
ويعتقد أن كل منها له كتلة لا تزال غير معروفة .
وقد بينت قياسات عداد L3-Detektor في مركز أبحاث سيرن أن عدد النيوترينوات ذات كتلة أقل من كتلة بوزون Z تبلغ 3 أنواع من النيوترينوات .

نقيض النيوترينو

نقيض النيوترينو أو مضاد النيوترينو  بالإنجليزية Antineutrino هو الجسيم المضاد للنيوترينو يحمل شحنة محايدة. يصحب هذا الجسيم انبعاث جسيم بيتا حينما يتحول نيوترون إلى بروتون. يبلغ عزمه المغزلي 1/2 وهو ينتمي إلى مجموعة الليبتونات. جميع النيوترينوات المضادة التي خضعت للمراقبة كان عزمها المغزلي من جهة اليمين وهو عكس لف النيوترونات. تتفاعل النيوترونات المضادة مع المادة إما بقوى الجاذبية أو التآثر الضعيف لذا يصعب مشاهدتها مخبريا. اكتشفت النيوترونات المضادة لأول مرة كنتيجة لتفاعلها مع نواة ذرة الكادميوم في خزان كبير للمياه. ثبت هذا الخزان بجانب مفاعل نووي كمصدر للنيوترونات المضادة. تشير تجارب تذبذب النيوترينو إلى أن مضاد النيوترينو لها كتلة لكن تجارب تحلل بيتا تصغر من قيمتها.
بما أن النيوترينوات ومضادتها محايدة كهربائيا فيرجح أنها نفس الجسيم. والجسيمات التي تمتلك هذه الخاصية تعرف بجسيمات ماجورانا. إذا كانت النيوترينوات جسيمات ماجورانا فإن تحلل بيتا الثنائي قد يتحقق وقد بدأت بعض التجارب بحث هذه المسألة. بدأ الباحثون حول العالم التحقيق في إمكانية قياس نقيض النيوترينو كوسيلة لمراقبة المفاعلات لمنع الانتشار النووي في إطار معاهدة منع الانتشار النووي
.