في النموذج المعياري للجسيمات، يُفترض أن تكون النيوترينوات عديمة الكتلة، وسبب هذا الافتراض هو أنه لم يتمكن أي شخص من أن يقيس قيمة محددة لأي كتلة قد تحملها هذه النيوترينوات، فمقدار كتلتها ضئيل للغاية لدرجة أنه من الممكن أن تساوي صفرا. ذلك، لا ومع يوجد مبدأ أساسي نعلمه ينصُّ على أن تكون النيوترينوات عديمة الكتلة، بل في واقع الأمر، بتنا نعرف الآن أن النيوترينوات لها كتلة، كتلة ضئيلة للغاية مقارنة حتى بكتلة الإلكترون، لكنها رغم هذا ليست صفرية.

هناك ثلاثة أنواع معروفة من النيوترينوات النيوترينوات الإلكترونية، والنيوترينوات الميوونية، والنيوترينوات التاوونية، وهي تحمل هذه الأسماء نظرًا لأنها تُنتج برفقة هذه الجسيمات ذات الشحنة الكهربية التي تتقاسم معها اسمها تطلق التفاعلات الاندماجية التي تجري داخل الشمس نيوترينوات من النوع الأول.

في ميكانيكا الكم للجسيمات خصائص شبه موجية، ومثلما تتخذ تذبذبات المجال الكهرومغناطيسي سمات شبه جسيمية – الفوتونات تتخذ أيضًا جسيمات كالنيوترينوات تذبذبات شبه موجية بينما تنتقل عبر الفضاء؛ ومن ثُمَّ فهي تكون موجة ذات احتمالية متغيرة والنيوترينو الذي بدأ رحلته كنيوترينو إلكتروني قد تتغير احتماليته مع تحركه، بحيث يتحوّل من نيوترينو إلكتروني إلى نيوترينو ميووني أو نيوترينو تاووني، بينما يبتعد عن المصدر الذي انطلق منه. لكن كي يحدث هذا الأمر، على النيوترينوات أن تمتلك كتلا متباينة، وهو ما يعني ضمنًا أنه ليس من الممكن أن تكون جميعها عديمة الكتلة.

على امتداد عدة عقود قيست شدة النيوترينوات الإلكترونية الآتية من الشمس، وفي ضوء معرفتنا بالطريقة التي تعمل بها الشمس، أمكن حساب عدد النيوترينوات الإلكترونية التي أُنتجت، ومن ثَمَّ حساب شدتها حين وصلت إلى الأرض. لكن حين أُجريت الحسابات، وجدنا أن شدة النيوترينوات الإلكترونية الآتية إلى الأرض أقل بمعامل قدره اثنان أو ثلاثة عن المتوقع. كانت هذه أول بادرة على أن للنيوترينوات الإلكترونية كتلة، وأنها تتغير إلى أنواع أخرى وهي في الطريق. رُصدت مواطن شذوذ أخرى مشابهة في خليط النيوترينوات الإلكترونية والنيوترينوات الميوونية المنتجة حين تصطدم الأشعة الكونية بطبقة الغلاف الجوي العليا، وقد أكدت سلسلة من التجارب المكرسة لهذا الغرض أُجريت في نهاية القرن العشرين أن النيوترينوات لها بالفعل كتلة، وأنها تتأرجح من شكل إلى آخر أثناء حركتها.

لم تتمكن تجربة أجريت في مرصد ساندبري للنيوترينوات (أونتاريو) من أن ترصد النيوترينوات الإلكترونية الآتية من الشمس والتي شهدت قلة في أعدادها) فحسب، بل تمكنت أن تحصي أيضًا العدد الإجمالي لكل الأنواع (وهو ما أكَّد أن العدد الإجمالي كان مماثلا لذلك الذي جرى التنبؤ به). أوضح هذا الكشف أن النيوترينوات الإلكترونية تغيَّرَتْ بالفعل، بَيْدَ أنه لم يوضّح النوع الذي فضَّلت النيوترينوات أن تتغير إليه.

ثم بدأنا في تجارب «الخط القاعدي الطويل». ففي مختبرات على غرار سيرن، وفير ميلاب، وكيه إي كيه في اليابان تُنتَج حزم من النيوترينوات تحت السيطرة، وتقاس طاقة النيوترينوات وشدتها وتركيبتها النيوترينوات الميوونية بالأساس) عند المصدر، ثم تُوجَّه عبر الأرض كي يتم رصدها على بُعْدِ عدة مئات من الكيلومترات في مختبر بعيد تحت الأرض. وعن طريق مقارنة تركيبة الحزمة عند وصولها بتركيبتها لدى انطلاقها، يصير من الممكن تحديد أي النكهات تحولت إلى نكهات أخرى، ومدى السرعة التي يجري بها هذا الأمر، وانطلاقا من ذلك يكون من الممكن أن نحسب الكتل النسبية لكل نوع (من الناحية الفنية، الفارق المربع بين كتلها هو ما يتم تحديده بهذه الطريقة).

خلال العقد الأول من القرن الحادي والعشرين من المنتظر أن نحصل على ثروة من المعلومات بشأن النيوترينوات الغامضة، وذلك بفضل هذه التجارب. إن تحديد نمط كتل النيوترينوات سيمدنا ببعض المؤشرات المفقودة بالنموذج المعياري، فنحن لا نعلم السبب الذي يجعل الكواركات واللبتونات المشحونة تمتلك كتلا بهذه المقادير تحديدا، وإن امتلاك هذه الجسيمات لتلك القيم لأمر محوري للغاية بالنسبة لوجودنا؛ ولذا فإن فهم هذا الأمر من شأنه أن يمثل طفرة علمية كبيرة. ويمكن لتحديد كتل النيوترينوات أن يمدنا بأدلة حاسمة تساعدنا في كشف النقاب عن هذه الأحجية.

يمكن أيضًا أن يكون لكتل النيوترينوات تأثير على علم الكونيات. فالنيوترينوات الضخمة من الممكن أن تكون قد لعبت دورًا في تكوين البذور الأولى للمجرات، ويمكنها أن تلعب دورًا ما في تفسير طبيعة المادة المظلمة المنتشرة في كل مكان بالكون، كما يظل السبب وراء انتهاك التفاعل الضعيف لمبدأ التكافؤ، أو التناظر الانعكاسي، مستعصيا عن الحل. توفّر النيوترينوات مدخلا خاصًا لاستكشاف التفاعل الضعيف، ومن ثَمَّ قد تؤدي الدراسة المتزايدة لخصائصها إلى اكتشافات غير متوقعة.

مواضيع ذات صلة

Normal modes

Waves in three dimensions

Probability amplitudes for particles

The random walk

Nuclei and particles

الزخات الهوائية Air Showers

النيوترينات Neutrinos

النيوكليونات Nucleons

النوى الثقيلة Heavy Nuclei

المركبة الكهرومغناطيسية

الميونات Mouns

الأشعة الكونية الثانوية Secondary Cosmic Rays