مرصد النيوترينو بمكعب الثلج

Coordinates: 89°59′24″S 63°27′11″W / 89.99000°S 63.45306°W / -89.99000; -63.45306
(تم التحويل من IceCube)
"آيس‌كيوب" redirects here. For الساتل, see آيس& § 8204;كيوب (مركبة فضاء). For استخدامات أخرى, see مكعب الثلج (توضيح).
مرصد النيوترينو بمكعب الثلج
مرصد النيوترينو لمكعب الثلج في القطب الجنوبي.
الأسماء البديلةIceCube Laboratory Edit this at Wikidata
الهيئةآيس‌كيوب كولابوريشن
الموقعمحطة أموندسن-سكوت بالقطب الجنوبي
الإحداثيات89°59′24″S 63°27′11″W / 89.99000°S 63.45306°W / -89.99000; -63.45306
الموقع الإلكترونيicecube.wisc.edu
التلسكوبات
التلسكوبنيوترينو
مرصد النيوترينو بمكعب الثلج is located in الأرض
مرصد النيوترينو بمكعب الثلج
Location of مرصد النيوترينو بمكعب الثلج
خريطة
 
[edit on Marefa data]

مرصد النيوترينو بمكعب الثلج (IceCube Neutrino Observatory، أو ببساطة مكعب الثلج)، هو مرصد نيوترينو طورته جامعة وسكنسن-ماديسون وأُنشئ في محطة أموندسن-سكوت بالقطب الجنوبي في أنتاركتيكا.[1] يُعد المشروع تجربةً معتمدةً في سرن، وتحمل الرمز (RE10).[2][3] توجد آلاف المستشعرات الخاصة به تحت جليد أنتاركتيكا، وهي موزعة على مساحة تعادل كيلومتراً مكعباً.

على غرار سلفه، مصفوفة كاشف الميونات والنيوترينو في القطب الجنوبي (المعروف اختصاراً باسم أماندا)، يتكون مرصد مكعب الثلج من مستشعرات بصرية كروية تُعرف باسم الوحدات البصرية الرقمية (DOMs)، وتحتوي كل منها على صمام تضخيم ضوئي (PMT)[4] وحاسوب أحادي اللوحة للحصول على البيانات، يُرسل البيانات الرقمية إلى مركز العد الموجود على السطح فوق المصفوفة.[1]

تُنشر الوحدات البصرية الرقمية في سلاسل تضم كل منها 60 وحدة، وذلك على أعماق تتراوح بين 1450 و2450 متراً داخل ثقوب أُذيب الثلج فيها باستخدام مثقاب يعمل بالماء الساخن. وقد صُمم مرصد مكعب الثلج للبحث عن المصادر النقطية للنيوترينوات في نطاق طاقة تـِرا-إلكترون‌ڤولت، وذلك بهدف استكشاف العمليات الفيزيائية الفلكية ذات الطاقة الأعلى.

اكتمل بناء مرصد مكعب الثلج في 18 ديسمبر 2010.[5] تمت الموافقة على ترقية مرصد مكعب الثلج عام 2019 وأُعلن عن نشره بنجاح في 12 فبراير 2026، مما يمثل أول توسع كبير له منذ بدايته قبل 15 عاماً.[6]

عام 2026، مُنح فرانسيس هالزن، الباحث الرئيسي في المشروع، جائزة نوبل في الفيزياء "من أجل إسهاماته البارزة في مرصد النيوترينو بمكعب الثلج واكتشاف نيوترينوات عالية الطاقة ذات منشأ فلكي".[7][8]

الإنشاء

برج الحفر وبكرة الخرطوم الخاصين بمرصد مكعب الثلج في ديسمبر 2009.


يعد مرصد مكعب الثلج جزءاً من سلسلة من المشاريع التي طورتها وأشرفت عليها جامعة وسكنسن-ماديسون. يتم توفير التعاون والتمويل من قبل العديد من الجامعات والمؤسسات البحثية الأخرى في جميع أنحاء العالم.[9] لم يكن بناء مرصد مكعب الثلج ممكناً إلا خلال فترة الصيف الجنوبي الأنتاركتيكي من نوفمبر إلى فبراير، عندما يسمح ضوء الشمس الدائم بالحفر لمدة 24 ساعة. بدأ البناء عام 2005، عندما نُشرت أول خيوط مكعب الثلج وجُمعت بيانات كافية للتحقق من أن أجهزة الاستشعار البصرية تعمل بشكل صحيح.[10] في موسم 2005-2006، نُشرت ثمانية خيوط إضافية، مما جعل مكعب الثلج أكبر مرصد نيوترينو في العالم.


الموسم الخيوط المركبة إجمالي الخيوط
2005 1 1
2005–2006 8 9
2006–2007 13 22
2007–2008 18 40
2008–2009 19 59
2009–2010 20 79
2010 7 86
2023-2026 5 91

اكتملت أعمال البناء في 17 ديسمبر 2010.[11][12] وبلغت التكلفة الإجمالية للمشروع 249 مليون دولار.[13]

شهد مرصد مكعب الثلج أول عملية تحديث له منذ عام 2010 (اكتملت في فبراير 2026)، حيث أُضيفت خمس خيوط إضافية -تتميز بكثافة أكبر وتقارب أكبر بين مكوناتها- من أجهزة استشعار الضوء في الجزء السفلي الأوسط من الخيوط الـ 86 الموجودة مسبقاً؛ مما أدى إلى زيادة عدد المستشعرات المدمجة في الجليد بأكثر من 600 مستشعر جديد ومُحسَّن وأداة معايرة. وتضمنت عملية التحديث إضافة نوعين جديدين من مستشعرات الضوء: "الوحدة البصرية الرقمية متعددة الصمامات الضوئية" (mDOM) و"المستشعرات البصرية المزدوجة داخل غلاف زجاجي إهليلجي للجيل الثاني" (D-Egg)؛ وكلاهما يتمتع بحساسية تفوق حساسية المستشعرات الحالية بمرتين إلى ثلاث مرات. وبالإضافة إلى ذلك، جرى نشر جهازي رصد زلازل تحت ثلج أنتاركتيكا، وهما يُعدان الأعمق من نوعهما في العالم.[6]

يُعتبر تحديث مرصد مكعب الثلج المزمع عام 2026 "خطوة تمهيدية" نحو مشروع مكعب الثلج-الجيل الثاني المستقبلي، الذي - في حال تحققه - سيعزز قدرات أجهزة المرصد بمقدار ثمانية أضعاف.[6] اعتباراً من عام 2026، هناك خطط لمزيد من التحديثات للمصفوفة قيد عملية الموافقة الفدرالية.[14][15] في حال الموافقة عليها، ستكون كل وحدة من وحدات الكشف الخاصة بمشروع مكعب الثلج-الجيل الثاني أكبر بثماني مرات من تلك المثبتة حالياً؛ وسيكون المرصد قادراً على رصد المزيد من مصادر الجسيمات وتحديد خصائصها بدقة أكبر، وذلك عند مستويات الطاقة المنخفضة والعالية على حد سواء.[14]

الكواشف الفرعية

"تاكلامپا،" إحدى الوحدات الضوئية الرقمية في فتحة مكعب الثلج رقم 85.

يتكون مرصد النيوترينو بمكعب الثلج من عدة كواشف فرعية، بالإضافة إلى المصفوفة الرئيسية الموجودة داخل الثلج.

  • "أماندا" (AMANDA) —وهو اختصار مصفوفة كاشف الميوون والنيوترينو بأنتاركتيكا— هو الجزء الأول الذي بُني، وقد مثّل نموذجاً لإثبات جدوى الفكرة لمشروع مكعب الثلج. وقد أُوقِف تشغيل أماندا في مايو 2009.[16]
  • مصفوفة قمة الثلج، وهي عبارة عن سلسلة من كواشف تشرنكوڤ الموجودة على سطح المثلجة، مع وجود كاشفين فوق كل خيط من خيوط مكعب الثلج تقريباً. يُستخدم مكعب الثلج ككاشف وُبُل الأشعة الكونية، لدراسات تكوين الأشعة الكونية واختبارات الحدث المتزامن: إذا رُصد موون يمر عبر مكعب الثلج، فلا يمكن أن يكون من نيوترينو يتفاعل في الثلج.
  • امتداد الطاقة المنخفضة للقلب العميق عبارة عن منطقة كثيفة الأدوات من مصفوفة مكعب الثلج، والتي تعمل على تمديد الطاقات التي يمكن رصدها إلى أقل من 100 إلكترون‌ڤولت. تُنشر خيوط Deep Core في المركز (في المستوى السطحي) للمصفوفة الأكبر، عميقاً في أنقى الثلوج في الجزء السفلي من المصفوفة (بين 1760 و2450 متراً). لا توجد وحدات DOM عميقة النواة بين عمق 1850 و2107 مترًا، لأن الثلج ليس نقياً في تلك الطبقات.

پينگو (PINGU، ترقية الجيل القادم من Precision IceCube) هو امتداد مقترح من شأنه أن يسمح باكتشاف النيوترينوات منخفضة الطاقة (مقياس طاقة إلكترون‌ڤولت)، مع استخدامات تشمل تحديد التسلسل الهرمي لكتلة النيوترينو، والقياس الدقيق لتذبذب النيوترينو الجوي (كل من ظهور نيوترينو التاو واختفاء نيوترينو الميوون)، والبحث عن الجسيمات الضخمة المتفاعلة بشكل ضعيف في الشمس.[17] تم تقديم رؤية لمرصد أكبر، مكعب الثلج-الجيل الثاني.[18]

الآلية التجريبية

مخطط ثلاثي الأبعاد لكاشف النيوترينو.

النيوترينوات هي لپتونات محايدة كهربائياً، ونادراً ما تتفاعل مع المادة من خلال القوة الضعيفة. عندما تتفاعل مع جزيئات الماء في الثلج عبر تفاعل التيار المشحون، فإنها تكوّن لپتونات مشحونة (إلكترونات، ميوونات، أو تاوات) تتوافق مع طبيعة النيوترينو. يمكن لهذه اللپتونات المشحونة، إذا كانت نشطة بما فيه الكفاية، أن تبعث إشعاع تشيرنكوڤ. يحدث هذا عندما ينتقل الجسيم المشحون عبر الثلج بسرعة أكبر من سرعة الضوء الموجودة في الثلج، على غرار الصدمة القوسية لقارب يتحرك بسرعة أكبر من الأمواج التي يعبرها. يمكن بعد ذلك اكتشاف هذا الضوء بواسطة صمامات مضاعفة ضوئية داخل الوحدات الضوئية الرقمية التي يتكون منها مكعب الثلج.

إن بصمات الكاشف لللپتونات الثلاثة المشحونة مختلفة، وعلى هذا النحو فمن الممكن تحديد نكهة النيوترينو لأحداث التيار المشحون. من ناحية أخرى، إذا انتشر النيوترينو من الثلج عبر التيار المحايد بدلاً من ذلك، فإن الحالة النهائية لا تحتوي على أي معلومات عن طبيعة النيوترينو حيث لم يتكون أي لپتون مشحون.

تُرقم الإشارات الصادرة عن فرق PMT ثم يتم إرسالها إلى سطح النهر الجليدي عبر كابل. تُجمع هذه الإشارات في غرفة عد سطحية، وتُرسل بعضها شمالاً عبر السواتل لمزيد من التحليل. منذ عام 2014، تقوم محركات الأقراص الثابتة، بدلاً من الأشرطة، بتخزين رصيد البيانات التي تُرسل شمالاً مرة واحدة سنوياً عبر السفن. بمجرد وصول البيانات إلى المجربين، يمكنهم إعادة بناء المعلمات الحركية للنيوترينو القادم. قد تسبب النيوترينوات عالية الطاقة إشارة كبيرة في الكاشف، تشير إلى مصدرها. تشير مجموعات اتجاهات النيوترينو هذه إلى مصادر نقطية للنيوترينوات.

تتطلب كل خطوة من الخطوات المذكورة أعلاه حداً أدنى معيناً من الطاقة، وبالتالي فإن مكعب الثلج حساس في الغالب للنيوترينوات عالية الطاقة، في نطاق 107 to about 1021 إلكترون‌ڤولت.[19]

يُعد كاشف مكعب الثلج أكثر حساسية للميوونات مقارنةً باللپتونات المشحونة الأخرى؛ وذلك لأن الميوونات تمتلك أعلى قدرة على الاختراق، وبالتالي تترك أطول المسارات داخل الكاشف. وعليه، فإن مكعب الثلج يُظهر حساسية أكبر تجاه نيوترينوات الميوون مقارنةً بأنواع النيوترينوات الأخرى. وعادةً ما يخضع الإلكترون -الناتج عن تفاعل نيوترينوات الإلكترون- لعدة عمليات تششت قبل أن يفقد قدراً كافياً من الطاقة يجعله دون عتبة إشعاع تشيرنكوڤ؛ وهذا يعني أن أحداث نيوترينوات الإلكترون لا تصلح عادةً لتحديد اتجاه المصادر، إلا أنها غالباً ما تكون محتواة بالكامل داخل الكاشف، مما يجعلها مفيدة لدراسات الطاقة. وتتخذ هذه الأحداث شكلاً كروياً -أو شبيهاً بالشلال- بدلاً من الشكل الخطي الشبيه بالمسار، في حين تتسم أحداث نيوترينوات الميوون بكونها شبيهة بالمسار.

يمكن للپتونات تاو أيضاً تكوين أحداث متتالية؛ لكنها قصيرة العمر ولا يمكنها السفر بعيداً قبل أن تتحلل، وبالتالي لا يمكن تمييزها عادةً عن شلالات الإلكترون. يمكن تمييز تاو عن الإلكترون الذي له حدث "الانفجار المزدوج"، حيث يمكن رؤية سلسلة متتالية عند خلق تاو واضمحلاله. هذا ممكن فقط مع طاقة عالية جداً. من الناحية الافتراضية، لحل مسار تاو، سيحتاج تاو إلى الانتقال على الأقل من DOM واحد إلى DOM مجاور (17 متراً) قبل الاضمحلال. بما أن متوسط عمر تاو هو 2.9×10−13 s، فإن تاو الذي يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء سيتطلب 20TeV من الطاقة لكل متر يتم قطعه.[20] من الناحية الواقعية، سيحتاج المجرب إلى مساحة أكبر من مجرد DOM واحد إلى التالي للتمييز بين سلسلتين، لذا فإن عمليات البحث عن الانفجار المزدوج تتمحور حول طاقات مقياس إلكترون‌ڤولت. إن عمليات البحث هذه جارية وكنها لم تعزل حتى الآن حدث الانفجار المزدوج عن أحداث الخلفية. هناك طريقة أخرى لاكتشاف نيوترينوات تاو ذات الطاقة المنخفضة وهي من خلال توقيع "النبض المزدوج"، حيث يكتشف DOM واحد وقتين مختلفين لوصول الضوء يتوافقان مع تفاعل النيوترينو وقمم اضمحلال تاو.[21]

يمكن للمرء أيضاً استخدام تقنيات التعلم الآلي، مثل الشبكات العصبية التلافيفية، لتمييز إشارة نيوترينوات تاو. عام 2024، نشر آيس‌كيوب كولابوريشن النتائج التي توصل إليها بشأن سبعة مرشحين لنيوترينوات تاو الفيزيائية الفلكية باستخدام مثل هذه التقنية.[22][23]

هناك قدر كبير من الميوونات الخلفية التي لا تنشأ عن النيوترينوهات القادمة من مصادر فلكية، بل عن اصطدام الأشعة الكونية بالغلاف الجوي فوق الكاشف؛ إذ يفوق عدد ميوونات الأشعة الكونية المرصودة في مرصد مكعب الثلج عدد الميوونات الناشئة عن النيوترينوات بنحو مليون مرة (10⁶).[24][25] يمكن استبعاد معظم هذه الأحداث استناداً إلى حقيقة أنها تتحرك نحو الأسفل. وتُعزى غالبية الأحداث المتبقية (الصاعدة) إلى النيوترينوات، إلا أن معظم هذه النيوترينوات تنشأ عن اصطدام الأشعة الكونية بالجانب البعيد من الأرض؛ وقد تأتي نسبة غير محددة منها من مصادر فلكية، وتُعد هذه النيوترينوات عنصراً جوهرياً في عمليات البحث التي يجريها مرصد مكعب الثلج عن المصادر النقطية. وتشير التقديرات إلى إمكانية رصد نحو 75 نيوترينواً صاعداً يومياً عند اكتمال بناء كاشف مكعب الثلج. وتُمثّل اتجاهات وصول هذه النيوترينوات ذات الأصل الفلكي النقاط التي يستخدمها تلسكوپ مكعب الثلج لرسم خريطة للسماء.[25]

الأهداف التجريبية

Top-view of the IceCube Neutrino Observatory. The IceCube-InIce strings and IceTop stations are separated by about 125 meters in a triangular grid pattern.

المصادر النقطية للنيوترينو عالية الطاقة

يمكن أن يساعد المصدر النقطي للنيوترينوات في تفسير لغز أصل الأشعة الكونية ذات الطاقة الأعلى. تمتلك هذه الأشعة الكونية طاقات عالية بما يكفي بحيث لا يمكن احتواؤها بواسطة المجالات المغناطيسية المجرية (نصف قطرها الدائري أكبر من نصف قطر المجرة)، لذلك يُعتقد أنها تأتي من مصادر خارج المجرة. الأحداث الفيزيائية الفلكية التي تعتبر كارثية بما يكفي لتكوين مثل هذه الجسيمات عالية الطاقة من المحتمل أيضاً أن تخلق نيوترينوات عالية الطاقة، والتي يمكن أن تنتقل إلى الأرض مع انحراف قليل للغاية، لأن النيوترينوات نادراً ما تتفاعل. يمكن لمرصد مكعب الثلج مراقبة هذه النيوترينوات: حيث يتراوح نطاق طاقتها القابلة للرصد حوالي 100 إ.ڤ. إلى عدة پ.ڤ. كلما كان الحدث أكثر نشاطاً، كلما كان الحجم الأكبر الذي يمكن لمرصد مكعب الثلج اكتشافه فيه؛ وبهذا المعنى، فإن مرصد مكعب الثلج يشبه إلى حد كبير تلسكوپ تشرنكوڤ مثل مرصد پيير أوجيه (مجموعة من خزانات كشف تشرنكوڤ ) أكثر من تجارب النيوترينو الأخرى، مثل سوپر-كي (مع أجهزة PMT الموجهة للداخل والتي تعمل على تثبيت الحجم المرجعي).

يعد مرصد مكعب الثلج أكثر حساسية للمصادر النقطية في نصف الكرة الشمالي منه في نصف الكرة الجنوبي. يمكنه مراقبة إشارات النيوترينو الفيزيائية الفلكية من أي اتجاه، لكن النيوترينوات القادمة من اتجاه نصف الكرة الجنوبي تغمرها خلفية الأشعة الكونية الميونية. وبالتالي، تركز عمليات البحث المبكرة عن مصادر نقاط مكعب الثلج على نصف الكرة الشمالي، ويتطلب التوسع إلى مصادر النقاط في نصف الكرة الجنوبي عملاً إضافياً.[26]

على الرغم من أنه من المتوقع أن يكتشف مرصد مكعب الثلج عدداً قليلاً جداً من النيوترينوات (نسبة إلى عدد الفوتونات التي تكتشفها التلسكوپات التقليدية)، إلا أنه يجب أن يتمتع بدقة عالية للغاية مقارنة بتلك التي يعثر عليها. على مدار عدة سنوات من التشغيل، يمكن أن ينتج خريطة تدفق لنصف الكرة الشمالي مشابهة للخرائط الموجودة مثل خرائط إشعاع الخلفية الصغروي الكوني، أو تلسكوپات أشعة گاما، والتي تستخدم مصطلحات الجسيمات مثل مكعب الثلج. وبالمثل، يمكن تلسكوپات نيوترينو الكيلومتر المكعب إكمال خريطة نصف الكرة الجنوبي.

ربما اكتشف علماء مرصد مكعب الثلج أول نيوترينواتهم في 29 يناير 2006.[27]

نبضات آشعة گاما المتزامنة مع النيوترينو

عندما تتصادم الپروتونات فيما بينها أو مع الفوتونات، فإن النتيجة عادةً ما تكون الپيونات. وتتحلل الپيونات المشحونة إلى ميوونات ونيوترينوات الميوون، في حين تتحلل الپيونات المتعادلة إلى أشعة گاما. ومن المحتمل أن يتزامن تدفق النيوترينوات مع تدفق أشعة گاما في مصادر معينة، مثل انفجارات أشعة گاما وبقايا المستعرات العظمى، مما يشير إلى الطبيعة الغامضة لمنشأها. ولتحقيق هذا الهدف، تُستخدم البيانات المستمدة من مرصد مكعب الثلج بالتزامن مع البيانات الساتلية المخصصة لأشعة گاما، مثل الساتل سويفت أو تلسكوپ فرمي. ورغم أن مكعب الثلج لم يرصد أي نيوترينوات متزامنة مع انفجارات أشعة گاما، إلا أنه يتيح استخدام عملية البحث هذه لتحديد سقف أعلى لتدفق النيوترينوات، بحيث تكون القيم أقل من تلك التي تتنبأ بها النماذج الحالية.[28]

البحوث غير المباشرة عن المادة الداكنة

الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMP) للمادة المظلمة يمكن التقاطها بالجاذبية بواسطة الأجرام الضخمة مثل الشمس وتتراكم في لب الشمس. مع كثافة عالية بما فيه الكفاية لهذه الجسيمات، فإنها تقضي على بعضها البعض بمعدل كبير. يمكن أن تتحلل منتجات الاضمحلال الناتجة عن هذا إلى نيوترينوات، والتي يمكن رصدها بواسطة مكعب الثلج على أنها فائض من النيوترينوات من اتجاه الشمس. يُطلق على تقنية البحث عن نواتج اضمحلال القضاء على الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل بالبحث غير المباشر، على عكس عمليات البحث المباشرة التي تبحث عن المادة المظلمة التي تتفاعل داخل حجم مُجهز ومحتوي. تعد عمليات رصد الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاغل للشمس أكثر حساسية لنماذج الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل المعتمدة على الدوان المغزلي من العديد من عمليات البحث المباشرة، لأن الشمس مكونة من عناصر أخف من كاشفات البحث المباشر (مثل الزينون أو الجرمانيوم). لقد وضع مكعب الثلج حدوداً أفضل مع كاشف السلسلة المكون من 22 (حوالي 1⁄4 من الكاشف الكامل) مقارنة بحدود أماندا.[29]

تذبذبات النيوترينوات

يمكن لمرصد مكعب الثلج رصد تذبذبات النيوترينوات من وُبل الأشعة الكونية في الغلاف الجوي، من خلال خط الأساس عبر الأرض. تكون أكثر حساسية عند ~25 GeV، وهو نطاق الطاقة الذي تم تحسين صفيف DeepCore الفرعي من أجله. يتكون DeepCore من 6 خيوط نُشر في صيف الجنوب 2009-2010 مع تباعد أفقي ورأسي أقرب. عام 2014، أُستخدمت بيانات DeepCore لتحديد زاوية الخلط θ23 والتقسيم الكتلي Δm223.[30] وقد جرى تحسين هذا القياس منذ ذلك الحين بمزيد من البيانات وتحسين معايرة الكاشف ومعالجة البيانات.[31][32][33]

مع جمع المزيد من البيانات وتحسين قياسات مرصد مكعب الثلج بشكل أكبر، قد يكون من الممكن رصد التعديل المميز لنمط التذبذب عند ~15 GeV الذي يحدد التسلسل الهرمي لكتلة النيوترينو. تعمل هذه الآلية لتحديد التسلسل الهرمي الكتلي فقط عندما تكون زاوية الخلط θ13 كبيرة.[34]

المستعرات العظمى الكونية

على الرغم من أن طاقة النيوترونات الفردية المتوقع صدورها عن المستعرات العظمى تقل كثيراً عن حد الطاقة الأدنى للكشف في مرصد مكعب الثلج، إلا أن المرصد قادر على رصد مستعر أعظم محلي؛ إذ سيظهر ذلك في صورة ارتفاع وجيز ومترابطٍ في معدلات الضوضاء عبر الكاشف بأكمله. وللحصول على عدد كافي من النيوترونات قبل أن يصبح تأثير المسافة (وفقاً لقانون التربيع العكسي 1/r2) عاملاً حاسماً في خفض التدفق، ينبغي أن يكون المستعر الأعظم قريباً نسبياً (أي داخل مجرتنا). والجدير بالذكر أن مرصد مكعب الثلج يُعد عضواً في نظام الإنذار المبكر للمستعرات العظمى (SNEWS).[35]

النيوترينوات العقيمة

سيكون توقيع النيوترينوات العقيمة بمثابة تشويه لطيف طاقة النيوترينوات الموجودة في الغلاف الجوي بحوالي 1 ت.ڤ، وهو ما يتوضع مرصد مكعب الثلج بشكل فريد للبحث عنه. قد ينشأ هذا التوقيع من تأثيرات المادة عندما تتفاعل النيوترينوات الجوية مع مادة الأرض.

يمكن لاستراتيجية الكشف الموصوفة، إلى جانب موقعها في القطب الجنوبي، أن تسمح للكاشف بتقديم أول دليل تجريبي قوي على البعد الإضافي المتنبأ بها في نظرية الأوتار. تقترح العديد من امتدادات النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، بما في ذلك نظرية الأوتار، وجود نيوترينوات عقيمة؛ في نظرية الأوتار يتكون هذا من خيط مغلق. ويمكن أن تتسرب هذه إلى أبعاد إضافية قبل العودة، مما يجعلها تبدو وكأنها تتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء. قد يكون من الممكن إجراء تجربة لاختبار ذلك في المستقبل القريب.[36] علاوة على ذلك، إذا قامت النيوترينوات عالية الطاقة بتكوين ثقوب سوداء مجهرية (كما تنبأت بعض جوانب نظرية الأوتار) فإنها ستخلق وابلاً من الجسيمات، مما يؤدي إلى زيادة النيوترينوات "السفلية" مع تقليل النيوترينوات "العلوية".[37]

عام 2016، لم يجد العلماء في كاشف مكعب الثلج أي دليل على وجود النيوترينوات العقيمة.[38]

النتائج

نشر آيس‌كيوب كولابوريش حدود تدفق النيوترينوات من المصادر النقطية،[39] انفجارات أشعة گاما،[40] وفناء النيوترالينو في الشمس، مع ما يترتب على ذلك من الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل-المقطع العرضي للپروتون.[41]

رُصد تأثير ظلي ناتج عن القمر.[42][43] يحجب القمر پروتونات الأشعة الكونية، مما يؤدي إلى نقص في تساقط ميوونات الأشعة الكونية في اتجاه القمر. كما رُصد تباين خواص صغير (أقل من 1%)، لكنه قوي، في ميوونات الأشعة الكونية.[44]

في نوفمبر 2013 أُعلن أن مكعب الثلج قد اكتشف 28 نيوترينو من المحتمل أنها نشأت خارج المجموعة الشمسية ومن بين تلك النيوترينوات زوج من النيوترينوات عالية الطاقة في نطاق پ.إ.ڤ، مما يجعلها النيوترينوات الأعلى طاقة المكتشفة حتى الآن.[45] أُطلق على الثنائي لقب "برت" و"إرني"، على اسم شخصيات من البرنامج التلفزيوني شارع سمسم.[46] وفي وقت لاحق من عام 2013، ارتفع عدد الاكتشافات إلى 37 مرشحاً[47] بما في ذلك نيوترينو جديد عالي الطاقة بقوة 2000 ت.إ.ڤ، أُطلق عليه اسم "الطائر الكبير".[48]

قام مرصد مكعب الثلج بقياس 10–100 گ.إ.ڤ. من اختفاء نيوترينوات الميوون في الغلاف الجوي عام 2014، باستخدام ثلاث سنوات من البيانات المأخوذة من مايو 2011 حتى أبريل 2014، بما في ذلك DeepCore،[30] تحديد معلمات تذبذب النيوترينو ∆m232 = 2.72+0.19
−0.20 × 10−3 eV2 و sin2(θ23) = 0.53+0.09
−0.12 (التسلسل الهرمي للكتلة العادية)، يمكن مقارنته بالنتائج الأخرى. تم تحسين القياس باستخدام المزيد من البيانات عام 2017، وفي عام 2019 جرى قياس مظهر نيوترينوات تاو في الغلاف الجوي.[31][32] أدى أحدث قياس مع معايرة الكاشف ومعالجة البيانات المحسنة اعتباراً من عام 2023 إلى قيم أكثر دقة لمعلمات التذبذب، وتحديد ∆m232 = (2.41 ± 0.07) × 10−3 eV2 and sin2(θ23) = 0.51 ± 0.05 (التسلسل الهرمي الطبيعي للكتلة).[33]

في يوليو 2018، أعلن مرصد النيوترينو مكعب الثلج تتبعه نيوترينو عالي الطاقة للغاية اصطدم بكاشفهم في سبتمبر 2017 إلى نقطة نشأته في النجم الزائف المتوهج TXS 0506 +056 الواقع على بعد 3.7 بليون سنة ضوئية في اتجاه كوكبة أوريون، كانت النتائج ذات دلالة إحصائية تبلغ 3-3.5σ.[49][50][51] كانت هذه هي المرة الأولى التي يُستخدم فيها كاشف النيوترينو لتحديد موقع جسم ما في الفضاء، وأشار إلى أنه تم تحديد مصدر الأشعة الكونية.[52][53][54]

عام 2020، أُعلن عن دليل على رنين گلاشو بمقياس 2.3σ (تكوين البوزون W في اصطدامات النيوترينو المضاد بالإلكترون).[55]

في فبراير 2021، أُعلن عن حدث الاضطراب المدي (TDE) AT2019dsg كمرشح لمصدر النيوترينو[56][57] وعن TDE AT2019fdr كمرشح ثاني في يونيو 2022.[58][59]

في نوفمبر 2022، أعلن مرصد مكعب الثلج عن دليل قوي على وجود مصدر نيوترينو منبعث من النواة النشطة لمجرة مسييه 77.[60][61] ويعد هذا هو ثاني اكتشافات مرصد مكعب الثلج بعد TXS 0506+056، والمصدر الرابع المعروف فقط بما في ذلك SN1987A والنيوترينو الشمسي OKS 1424+240 وGB9 من المرشحين المحتملين الآخرين.[62]

في يونيو 2023، حدد مرصد مكعب الثلج، على خريطة المجرة، انبعاث النيوترينو المنتشر من المستوى المجري بمستوى أهمية يبلغ 4.5σ.[63][64]

في 10 يونيو 2026، سجل مرصد مكعب الثلج حدثاً لاكتشاف نيوترينو فردي عالي الطاقة[65] - وهو أول حدث "ذهبي" منذ نشر تحديث المرصد في فبراير 2026.[66]

جائزة نوبل في الفيزياء 2026

فرانسيس هالزن.
صورة نشرتها لجنة نوبل لجائزة نوبل في الفيزياء 2026.

في 6 أكتوبر 2026، فاز البلجيكي فرانسيس هالزن[67]، الأستاذ في جامعة وسكنسن-ماديسون بجائزة نوبل في الفيزياء لرصده "النيوترينو الكوني". لقد وضع فرانسيس هالزن الأساس لنوع جديد تماماً من علم الفلك. وكانت فكرته هي استخدام الثلج الجليدي في القطب الجنوبي لالتقاط الجسيمات السرية التي تسمى النيوترينوات. وكانت النتيجة مرصد النيوترينو بمكعب الثلج، الذي يمكنه تتبع النيوترينوات التي تنشأ في الكون البعيد.


فرانسيس هالزن

نشأ فرانسيس هالزن في بلجيكا، وقد جذبه مجال فيزياء الجسيمات بفضل التقدم الذي شهده هذا المجال في الستينيات؛ حيث ركّز في البداية على الجسيمات ذات الكتلة المكوَّنة من الكواركات. وبعد فترة وجيزة من حصوله على درجة الدكتوراه، انتقل إلى جامعة وسكنسن-ماديسون في الولايات المتحدة. وفي وقت لاحق، أدرك ما يمكن لفيزياء الجسيمات أن تستفيده من الجسيمات القادمة إلينا من الفضاء، وكيف يمكن للفيزياء الفلكية -في المقابل- أن تستفيد من فيزياء الجسيمات.[68]


النيوترينوات الكونية

النيوترينوات هي أكثر الجسيمات خجلاً في الكون، وليس لها شحنة كهربائية ولا كتلة تقريباً. بشكل عام، تمر النيوترينوات عبر المادة دون أن يلاحظها أحد، ونادراً ما تجعل النيوترينوات وجودها محسوساً عن طريق الاصطدام بنواة ذرية. في كل ثانية، دون أن تلاحظ، يتدفق 65 بليون نيوترينو من الشمس عبر ظفر الإصباع. تأتي النيوترينوات أيضاً من مناطق أخرى في الفضاء، حاملةً في طياتها أدلةً تكشف عن بعض أسرار الكون؛ إذ يمكن للباحثين الذين ينجحون في رصد هذه النيوترينوات الكونية النادرة استخلاص معلوماتٍ حول البيئات المتطرفة في الكون التي نشأت فيها.

ينبع الدافع وراء البحث عن النيوترينوات من رصد جسيمات مختلفة تماماً؛ إذ يعج الكون بجسيمات تُعرف مجتمعة باسم الأشعة الكونية. وتتألف هذه الأشعة عادةً من پروتونات، وهي عبارة عن أنوية ذرات هيدروجين مجردة. ويمكن لهذه الپروتونات القادمة من الفضاء أن تصل إلينا أحياناً بطاقة هائلة ومذهلة، تفوق بكثير تلك التي يمكن منحها لها في مسرعات الجسيمات على سطح الأرض.

لقد كان أصل الأشعة الكونية ذات الطاقات القصوى أحد أفضل أسرار الكون المحفوظة. ولأن الفيزياء تخبرنا أن العمليات التي يمكنها تسريع الپروتونات إلى طاقات عالية تؤدي أيضاً إلى ظهور نيوترينوات ذات طاقات عالية، فإن النيوترينوات يمكن أن توفر أدلة مهمة حول مسرعات الجسيمات الكونية هذه.

يمكن لمن ينجح في رصد النيوترينوات ذات الطاقة الهائلة تمييزُها عن تلك النيوترينوات الأقل طاقةً بكثير، والناجمة عن تحلّل المواد المشعة أو المنبعثة من الشمس أو المتولدة عند اصطدام الأشعة الكونية بالغلاف الجوي للأرض؛ إذ لا بد أن تكون النيوترينوات التي لا تنشأ في محيطنا قادمةً من أماكن بعيدة للغاية، ربما من عمليات عنيفة في مناطق شهدت انفجار نجوم، أو من مجرات نشطة بعيدة.

في الثمانينيات، أدرك فرانسيس هالزن أن الثلج في القطب الجنوبي يمكن أن يكون مثالياً لاصطياد ما يكفي من هذه النيوترينوات المخفية، حتى يتمكن الباحثون من معرفة المزيد عن أصولها البعيدة. وسرعان ما أقنع العديد من الآخرين بإمكانيات فكرته، وفي عام 1992، قامت مجموعة من الباحثين والمهندسين العنيدين بالمحاولات الأولى لإنزال أجهزة استشعار الضوء في النهر الجليدي بالقطب الجنوبي. جاء هذا الإنجاز بعد حوالي عشرين عاماً: سجل مرصد النيوترينو بمكعب الثلج نيوترينوات ذات خصائص أقنعت الباحثين بأنها نشأت في مناطق بعيدة من الفضاء. لقد بدأ البحث عن مصادر النيوترينوات في الكون بشكل جدي. لقد كانت رؤيته وقيادته العلمية أساسية لمرصد النيوترينو بمكعب الثلج- وهو كيلومتر مكعب من الثلج مجهز بأجهزة استشعار للضوء. باستخدام مرصد مكعب الثلج، يمكن للباحثين التقاط النيوترينوات من العمليات الغنية بالطاقة للغاية في الكون البعيد. توجد النيوترينوات في كل مكان، لكنها لا تكشف عن وجودها؛ فهي تخترق الأرض وأجسامنا بالكامل دون أن نشعر بذلك. وفي حالات نادرة للغاية، يتفاعل نيوترينو واحد مع نواة ذرية، مما يتيح لمن يمتلك المعدات المناسبة اكتشافها.[69]

لطالما أدرك العلماء أن الكون يزخر بمسرّعات جسيمات طبيعية تطلق جسيماتٍ بطاقات تفوق بمليون مرة تلك التي يمكن تحقيقها في المعامل على الأرض. ومع ذلك، لا يزال الغموض يكتنف الكثير من الجوانب المتعلقة بهذه المصادر: فما هي؟ وأين تقع؟ وما هي العمليات الرئيسية التي تدور في داخلها؟. تنشأ النيوترينوات ذات الطاقات العالية للغاية في البيئات نفسها التي تتشكل فيها أنواع أخرى من الجسيمات. ومع ذلك، وعلى العكس من تلك الجسيمات، تصلنا النيوترينوات دون أن تغير اتجاهها أو تفقد شيئاً من طاقتها؛ وهذا يعني أنها قادرة على توفير معلومات لا يمكن الحصول عليها بأي وسيلة أخرى.

قدم فرانسيس هالزن لأول مرة رؤيته لالتقاط النيوترينوات في القطب الجنوبي عام 1988. عندما يصطدم النيوترينو بنواة ذرية، فإنه ينتج وميضاً من الضوء يمكن تتبعه بواسطة أجهزة استشعار في الثلج الجليدي الصافي. ويتمتع ثلج القطب الجنوبي بالعديد من المزايا، فهو خالي من مختلف أنواع التداخلات، كما أن المنطقة مستقرة جيولوجياً، ولا تحدث فيها زلازل. وسرعان ما حظي هالزن وفكرته بدعم باحثين آخرين، وبعد سنوات قليلة فقط، أُجري اختبار أولي على أجهزة الاستشعار في الثلج.

النيوترينوات الكونية ذات الطاقات العالية للغاية نادرة جداً، لذلك هناك حاجة إلى كمية هائلة من الثلج لمراقبة عدد كافٍ من الاصطدامات. يغطي مرصد النيوترينو بمكعب الثلج كيلومتراً مكعباً كاملاً، واكتمل بناؤه عام 2011. وسرعان ما اكتشف الباحثون أول نيوترينوات عالية الطاقة، وبعد بضع سنوات، تمكنوا من نشر اكتشافهم للنيوترينوات التي يجب أن تنشأ بعيدًا خارج مجموعتنا الشمسية. يمكن أن يبدأ البحث عن مصادر النيوترينو في الكون بشكل جدي.

يقول مارك پيرس، رئيس لجنة نوبل للفيزياء: "لقد قاد فرانسيس هالزن فريقاً دولياً من الباحثين والمهندسين الذين قدموا لنا أداةً مذهلة؛ إذ مهدت مثابرته ورؤيته العلمية الطريق لنوع جديد من علم الفلك". ستوفر تفاعلات النيوترينو التي يجمعها مرصد مكعب الثلج باستمرار للباحثين معرفةً جديدةً حول البيئات العنيفة التي تتولد فيها النيوترينوات عالية الطاقة، بل وقد تكشف عن ظواهر كونية لم تكن معروفة من قبل.

في الثمانينيات، بينما كان هالزن يعمل على الجسيمات الكونية، سمع أن الباحثين السوڤييت كانوا يخططون لاستخدام أجهزة الاستقبال الراديوية لالتقاط إشارات النيوترينو في أنتاركتيكا. وكانت الفكرة أنه عندما يصطدم النيوترينو بنواة ذرية في الثلج فإنه يسبب شرارة كهربائية تنتج موجة راديوية. إذا كان هذا قوياً بما فيه الكفاية، فيمكن التقاطه باستخدام هوائي الراديو. استلهم هالزن ذلك وأدرك أن هناك طريقة أخرى يمكن أن تتمثل في تركيب أجهزة استشعار للضوء في الثلج الجليدي والبحث عن ومضات من الضوء من الاصطدامات.

في السابق، حوالي عام 1960، اقترح العديد من علماء الفيزياء أن الماء يمكن أن يكون مادة جيدة لالتقاط النيوترينوات من الفضاء. وفي المناسبات النادرة التي يصطدم فيها النيوترينو بنواة ذرية، يُنتج جسيم مشحون؛ ثم ينتقل هذا بعد ذلك في نفس اتجاه النيوترينو الأصلي وينبعث منه ضوء أزرق. ولأن الماء شفاف فيمكن اكتشاف هذا الضوء. إذا أُستخدمت المعدات المناسبة، فمن الممكن تحديد اتجاه مسار الضوء وحتى معرفة من أين جاء النيوترينو. العامل الأكثر أهمية هو وجود كمية من الماء كبيرة بما يكفي لرؤية الأدلة على العديد من تصادمات النيوترينو.

صورة مفصلة لمرصد النيوترينو بمكعب الثلج.

تمثلت فكرة هالزن في استخدام الثلج الموجود طبيعياً بدلاً من الماء. وقد تواصل مع زميله الباحث جون ليرند، الذي كان يعمل آنذاك في مشروع دوماند؛ وهو مشروع مماثل كان يهدف إلى رصد إشارات ضوئية ناتجة عن تفاعلات جسيمات النيوترينو في مياه المحيط العميقة والصافية قبالة سواحل هاواي. وعكف العالمان معاً على مناقشة الفرص والتحديات المرتبطة برصد النيوترينوات في أنتاركتيكا، ثم عرضا لأول مرة تصورهما لإنشاء مرصد للنيوترينو داخل ثلج القطب الجنوبي عام 1988، وذلك خلال مؤتمر عُقد في پولندا.

أدرك فرانسيس هالزن أن هناك مزايا عديدة لإقامة مرصد النيوترينو عند القطب الجنوبي الجغرافي؛ إذ كانت توجد هناك بالفعل محطة أبحاث، مع وجود منظومة لعمليات النقل المنتظم وتوفر كل ما يلزم لعمل الفريق. يوفر الثلج أيضاً مزايا عديدة كمادة؛ فعلى أعماق كبيرة، يسود ظلام دائم. وعلى عكس المحيط، لا توجد أي تداخلات من الكائنات الحية، كما أن مستويات المواد المشعة منخفضة للغاية. ويتميز الثلج باستقراره، موفراً بذلك سطحاً صلباً للعاملين في المنشأة، فضلاً عن أن المنطقة مستقرة جيولوجياً وتخلو من الزلازل. من السلبيات أن الطقس البارد يجعل السفر من القطب الجنوبي وإليه مستحيلاً طوال معظم فترات السنة؛ لذا يتعين إنجاز جميع الأعمال العملية خلال صيف القطب الجنوبي القصير، أي في الفترة الممتدة بين شهري نوفمبر وفبراير.

الجسيمات والأشعة التي يرسلها الكون إلى الأرض.

في البداية، اكتفى هالزن بالعمل نظرياً، في حين كان ليرند منشغلاً بمشروعه الخاص ولم يعد قط إلى نظرياتهما المتعلقة برصد النيوترينوات في القطب الجنوبي. كان من الممكن أن تنتهي القصة عند هذا الحد، لولا أن الفكرة أثارت اهتماماً واسعاً؛ إذ تجمّع باحثون من مؤسسات شتى حول هالزن -في غضون سنوات قليلة- لتحويل فكرته عن إنشاء مرصد للنيوترينوات في القارة القطبية الجنوبية إلى واقع ملموس. في البداية، كان عليهم حل جميع المشاكل العملية التي ينطوي عليها ذلك عن طريق وضع الأدوات في عمق الثلج. وعلموا من علماء الجليد أنه يمكن حفر ثقوب بعمق كيلومتر واحد باستخدام نوع من رؤوس الدش المتطورة التي تستخدم الماء الساخن لإذابة الجليد. ويمكن بعد ذلك إنزال كابل طويل مزود بسلاسل من أجهزة استشعار الضوء في الحفرة المملوءة بالماء. يصف هالزن هذه المستشعرات بأنها مصباح كهربائي في الاتجاه المعاكس، حيث تلتقط الأداة الضوء ثم تحوله إلى إشارة كهربائية.

أولاً، اختبر فريق البحث غمر أجهزة الاستشعار في الثلج بگرينلاند للتأكد من قدرتها على تسجيل الضوء من الجزيئات الموجودة في الثلج. ثم بدأوا في بناء أول مرصد للنيوترينو في القطب الجنوبي، وهو سلف مرصد مكعب الثلج، مرصد أماندا. وصف هالزن جلوسه إلى مائدة العشاء واضعاً حاسوبه في حجره عشية عيد الميلاد عام 1993، بانتظار رسالة تؤكد تركيب الكابل الأول المزوّد بوحدات بصرية داخل الثلج. كان الجزء العلوي من الثلج مليئاً بالفقاعات التي تشتت الضوء في اتجاهات مختلفة وتحجب تفاصيل حركة الجسيمات، ولذا جاءت المحاولات الأولى مخيبة للآمال. غير أن الثلج أثبت نقاءه وشفافيته الفائقة على أعماق تتجاوز 1400 متر؛ إذ كانت ومضات الضوء الناتجة عن النيوترينوات قادرة على الانتقال لمسافة 300 متر قبل أن تُمتص، وهي مسافة تفوق بكثير كل التوقعات. ومن النتائج الجانبية لمشروع النيوترينو أن الباحثين اكتسبوا معرفة واسعة حول خصائص الثلج عند أعماق مختلفة.

استمرت عمليات بناء مرصد أماندا حتى يناير 2000. ورغم أن كل شيء عمل وفقاً لما هو مخطط له، إلا أن المرصد لم يكن مؤهلاً تماماً لرصد جسيمات النيوترينو عالية الطاقة القادمة من مسرعات الجسيمات الكونية؛ لذا دعت الحاجة إلى حجم أكبر، وبدأ العمل على مشروع مرصد مكعب الثلج - وهو عبارة عن مكعب من الثلج بحجم كيلومتر مكعب واحد ومُزوَّد بمستشعرات للضوء. وقد وصل مرصد مكعب الثلج إلى حجمه النهائي عام 2011، حيث ضمَّ 5160 مستشعراً ضوئياً موزعة على 86 كابلاً. على مر السنين، واصل هالزن أداء دور المحفز، بدءاً بمشروع أماندا ووصولاً إلى مشروع مكعب الثلج لاحقاً. وبصفته باحثاً رئيسياً متفانياً ومتحمساً، فقد قاد هذه المشاريع بدءاً من مرحلة الفكرة وحتى إنجاز القياسات والحصول على النتائج العلمية.

لا يقتصر دور مراصد النيوترينو -مثل مرصد مكعب الثلج- على رصد جسيمات النيوترينو التي يبحث عنها العلماء فحسب؛ إذ يتعين رصد هذه النيوترينوات الكونية وسط خلفية من الإشارات الناجمة عن الأشعة الكونية التي تخترق الغلاف الجوي للأرض. وتتمكن بعض هذه الجسيمات من اختراق الغلاف الجوي والوصول إلى أجهزة الاستشعار الموجودة على أعماق تتراوح بين 1450 و2450 متراً تحت سطح الأرض؛ حيث يُسجَّل يومياً أكثر من مئة مليون جسيم من هذا النوع قادمة من الغلاف الجوي فوق القارة القطبية الجنوبية. كما تتسبب الأشعة الكونية أيضاً في توليد نيوترينوات داخل الغلاف الجوي، ويصل بضع مئات منها يومياً إلى مرصد مكعب الثلج بعد عبورها الكرة الأرضية بالكامل قادمةً من نصف الكرة الشمالي. للعثور على النيوترينوات الكونية، يتعين على الباحثين تحديد أحداثٍ مُنتقاة تفاعلت فيها النيوترينوات داخل الثلج. وحتى في الحالات التي يتعذر فيها الجزم تماماً بأن نيوترينواً معيناً قد نشأ خارج الأرض، يمكن للباحثين فحص جميع الأحداث المُنتقاة ومعرفة ما إذا كانت خصائصها -في مجملها- تتوافق مع التوقعات المتعلقة بالنيوترينوات الكونية وتختلف عن خصائص النيوترينوات الجوية. وفي عام 2013، أعلن الفريق البحثي عن أول دليل يؤكد رصدهم الفعلي لنيوترينوات كونية، وبعد عامين، كانوا قد جمعوا قدراً كافياً من البيانات مكّنهم من التيقن من اكتشافهم.

بدأ علم فلك النيوترينوات على نطاق محدود في الستينيات، حين رصد ريموند ديڤيس، الأصغر نيوترينواتٍ قادمةً من الشمس. وقد أُكِّد ذلك من قِبَل الفريق البحثي في ​​مرصد كاميوكاندى للنيوترينو في اليابان، بقيادة ماساتوشي كوشيبا، إذ تمكنوا من تحديد مسار النيوترينوات وتتبُّع مصدرها. عام 1987، رصد مرصد كاميوكاندى وابلاً من النيوترينوات التي أمكن ربطها بانفجار نجم — أو ما يُعرف بالمستعر الأعظم — في سحابة ماجلان الكبرى، وهي مجرة ​​مجاورة لمجرتنا. وسرعان ما تعزز هذا الاكتشاف بقياسات للنيوترينوات أُجريت في آنٍ واحد في كل من الولايات المتحدة والاتحاد السوڤيتي. عام 2002 مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء]] لكل من ريموند ديڤيس، الأصغر وماساتوشي كوشيبا تقديراً لهذه الإنجازات الرائدة، التي أثبتت إمكانية استخدام النيوترينوات لدراسة الظواهر في الفضاء.

بقيت مشكلة واحدة: تمثّل عدد النيوترينوات التي رصدها ريموند ديڤيس، الأصغر ثلث العدد المتوقع فقط بناءً على حسابات التفاعلات التي يُفترض حدوثها داخل الشمس. وتبيّن أن السبب في ذلك يعود إلى وجود ثلاثة أنواع من النيوترينوات؛ فقد اكتشف الفيزيائيون أن النيوترينوات قادرة على تغيير هويتها (أو التحوّل من نوع لآخر)، بحيث يمكن لنيوترينو نشأ كنوعٍ معيّن أن يصل إلى جهاز الرصد على الأرض بصفته نوعاً مختلفاً، وكان رصد هذه النيوترينوات المتحوّلة يتطلب تقنيةً تختلف عن تلك التي استخدمها ريموند ديڤيس، الأصغر. كُشِف عن الطبيعة المتغيرة للنيوترينوات من خلال تجارب أُجريت في اليابان وكندا، ومُنحت جائزة نوبل في الفيزياء 2015 لكل من تاكاكي كاجيتا وآرثر مكدونالد تقديراً لهذا الاكتشاف.

وهكذا، ساعدت جسيمات النيوترينو علماء الفيزياء على تأكيد نماذجهم المتعلقة بالعمليات الجارية داخل الشمس وما يحدث في المستعرات العظمى. وتتمثل الفكرة الكامنة وراء مرصد النيوترينو بمكعب الثلج في الارتقاء بعلم فلك النيوترينو إلى مستوى جديد، إذ يُؤمَل أن توفر هذه الجسيمات معلومات حول ظواهر تحجبها سحب الغبار، أو عن أجرامٍ بعيدةٍ للغاية لدرجة أن أشكال الإشعاع الأخرى تتلاشى وتختفي أثناء رحلتها عبر الفضاء؛ فالهدف هو اكتساب معرفةٍ يتعذر الحصول عليها بأي وسيلة أخرى.

تتمتع النيوترينوات بميزة مقارنةً بالبروتونات، وهي أنها لا تحمل شحنة كهربائية. فمسار الپروتونات المشحونة في الفضاء ينحرف بفعل المجالات المغناطيسية التي تعبرها، مما يجعل من المستحيل تحديد مصدرها عن طريق تتبع الاتجاه الذي سلكته. غير أن العمليات التي تُكسب الپروتونات تسارعاً عالياً تُنتج أيضاً نيوترينوات لا تتأثر بالمجالات المغناطيسية؛ ولذا، ينبغي أن يكون من الممكن تحديد موقع تسارع اروتونات الأشعة الكونية من خلال تتبع مسار النيوترينوات ذات الطاقة الأعلى عودةً إلى مصدرها. تُعد أشعة گاما نوعاً آخر من الرسائل القادمة من أكثر العمليات عنفاً في الكون؛ وهي أيضاً تضعف عند تفاعلها مع الضوء والمادة أثناء رحلتها عبر الفضاء، في حين لا تتأثر النيوترينوات بذلك. ويتمثل أحد الأهداف المهمة في تحديد المصادر الفردية للنيوترينوات السماوية. وقد رصد مرصد النيوترينو بمكعب الثلج عدداً قليلاً من المصادر المحتملة، من بينها المجرة النشطة مسييه 77؛ إذ يبدو أن 79 نيوترينواً من تلك التي رصدها المرصد تأتي من اتجاه هذه المجرة. ومع ذلك، فإن هذه الأدلة ليست قوية بما يكفي للجزم بأن مسييه 77 هي مصدر للنيوترينوات؛ فكلما زاد عدد النيوترينوات التي تلتقطها المستشعرات، زادت احتمالية التمكن من تحديد مصدرها. في السنوات الأخيرة، تمكن الباحثون القائمون على مشروع مرصد مكعب الثلج أيضاً من رصد نيوترينوات عالية الطاقة قادمة من مجرتنا، درب التبانة. وهم يتوقعون أن هذه النيوترينوات تنشأ عندما تصطدم الأشعة الكونية بذرات الغاز الرقيق الموجود بين النجوم.

انظر أيضا

المراجع

  1. ^ أ ب Abbasi, R.; et al. (April 2009). "The IceCube data acquisition system: Signal capture, digitization, and timestamping". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 601 (3): 294–316. arXiv:0810.4930. Bibcode:2009NIMPA.601..294A. doi:10.1016/j.nima.2009.01.001.
  2. ^ "Recognized Experiments at CERN". The CERN Scientific Committees. CERN. Archived from the original on 13 June 2019. Retrieved 21 January 2020.
  3. ^ "RE10/ICECUBE: IceCube". The CERN Experimental Programme. CERN. Retrieved 21 January 2020.
  4. ^ R. Abbasi; et al. (IceCube Collaboration) (2010). "Calibration and Characterization of the IceCube Photomultiplier Tube". Nuclear Instruments and Methods A. 618 (1–3): 139–152. arXiv:1002.2442. Bibcode:2010NIMPA.618..139A. doi:10.1016/j.nima.2010.03.102. S2CID 44013013.
  5. ^ "IceCube Neutrino Observatory". 20 December 2023.
  6. ^ أ ب ت "The IceCube Neutrino Observatory gets a major upgrade beneath the ice".
  7. ^ "Nobel Prize in Physics 2026". NobelPrize.org (in الإنجليزية الأمريكية). Retrieved 2026-10-06.
  8. ^ Breeden, Aurelien (2026-10-06). "Nobel Prize in Physics is Awarded to Francis Halzen for Work on Neutrinos". NYT (in الإنجليزية الأمريكية). ISSN 0362-4331. Retrieved 2026-10-06.
  9. ^ "Institution List".
  10. ^ K. Hutchison (24 October 2005). "IceCube - One hole done, 79 more to go" (Press release). SpaceRef.com. Archived from the original on 12 September 2012. Retrieved 15 October 2009.
  11. ^ "IceCube Neutrino Detector COMPLETE". Archived from the original on 25 December 2010. Retrieved 9 January 2011.
  12. ^ "World's largest neutrino observatory completed at South Pole". news.wisc.edu. 17 December 2010.
  13. ^ "Frequently Asked Questions".
  14. ^ أ ب "Federal physics advisory panel recommends funding next-generation IceCube observatory, other major experiments". 8 December 2023.
  15. ^ "The IceCube-Gen2 detectors".
  16. ^ Aartsen, M. G.; et al. (2013). "Measurement of South Pole ice transparency with the IceCube LED calibration system". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 711 (73): 73–89. arXiv:1301.5361. Bibcode:2013NIMPA.711...73A. doi:10.1016/j.nima.2013.01.054. S2CID 118683026.
  17. ^ "IceCube looks to the future with PINGU". 30 December 2013.
  18. ^ Aartsen, M. G.; et al. (Icecube-Gen2 Collaboration) (18 December 2014). "IceCube-Gen2: A Vision for the Future of Neutrino Astronomy in Antarctica". arXiv:1412.5106 [astro-ph.HE].
  19. ^ F. Halzen (June 2002). "IceCube: A Kilometer-Scale Neutrino Observatory" (PDF). Archived from the original (PDF) on 9 September 2006. Retrieved 15 October 2009.
  20. ^ Speed of light (299792458 m/s) × average lifetime (2.9×10−13 s) = 8.711×10−5 m
  21. ^ Meier, Maximilian; Soedingrekso, Jan (2019). "Search for Astrophysical Tau Neutrinos with an Improved Double Pulse Method". Proceedings of 36th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2019). p. 960. doi:10.22323/1.358.0960.
  22. ^ Scientists may have just caught 7 exotic "ghost particles" as they pierced through Earth, March 14, 2024, https://www.space.com/icecube-neutrinos-south-pole-cosmic-messengers, retrieved on 16 March 2024 
  23. ^ Pennsylvania State University (March 13, 2024). "IceCube identifies seven astrophysical tau neutrino candidates". phys.org. Retrieved 16 March 2024.
  24. ^ "IceCube Quick Facts". IceCube (in الإنجليزية الأمريكية). Archived from the original on 2025-03-23. Retrieved 2025-03-23.
  25. ^ أ ب "IceCube Preliminary Design Document" (PDF). IceCube. 2001-10-01. pp. 23, 29, 31. Archived (PDF) from the original on 2025-03-23. Retrieved 2025-03-23.
  26. ^ R. Abbasi; et al. (IceCube Collaboration) (2009). "Extending the Search for Neutrino Point Sources with IceCube above the Horizon". Physical Review Letters. 103 (22) 221102. arXiv:0911.2338. Bibcode:2009PhRvL.103v1102A. doi:10.1103/PhysRevLett.103.221102. hdl:2440/76771. PMID 20366087. S2CID 43304371.
  27. ^ K. Mizoguchi (17 February 2006). "Scientists find first neutrinos in 'IceCube' project". USA Today. Retrieved 15 October 2009.
  28. ^ R. Abbasi; et al. (IceCube Collaboration) (2011). "Limits on Neutrino Emission from Gamma-Ray Bursts with the 40 String IceCube Detector". Physical Review Letters. 106 (14) 141101. arXiv:1101.1448. Bibcode:2011PhRvL.106n1101A. doi:10.1103/PhysRevLett.106.141101. PMID 21561178. S2CID 19816817.
  29. ^ R. Abbasi; et al. (IceCube Collaboration) (2010). "Limits on a muon flux from Kaluza-Klein dark matter annihilations in the Sun from the IceCube 22-string detector". Physical Review D. 81 (5) 057101. arXiv:0910.4480. Bibcode:2010PhRvD..81e7101A. doi:10.1103/PhysRevD.81.057101. S2CID 2111669.
  30. ^ أ ب Aartsen, M. G.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Altmann, D.; Anderson, T.; Arguelles, C.; Arlen, T. C.; Auffenberg, J.; Bai, X.; Barwick, S. W.; Baum, V.; Bay, R. (7 April 2015). "Determining neutrino oscillation parameters from atmospheric muon neutrino disappearance with three years of IceCube DeepCore data". Physical Review D (in الإنجليزية). 91 (7) 072004. arXiv:1410.7227. Bibcode:2015PhRvD..91g2004A. doi:10.1103/PhysRevD.91.072004.
  31. ^ أ ب Aartsen, M. G.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Al Samarai, I.; Altmann, D.; Andeen, K.; Anderson, T.; Ansseau, I.; Anton, G.; Argüelles, C.; Auffenberg, J.; Axani, S. (13 February 2018). "Measurement of Atmospheric Neutrino Oscillations at 6–56 GeV with IceCube DeepCore". Physical Review Letters. 120 (7) 071801. arXiv:1707.07081. Bibcode:2018PhRvL.120g1801A. doi:10.1103/PhysRevLett.120.071801. hdl:2440/111549. PMID 29542976.
  32. ^ أ ب Aartsen, M. G.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Altmann, D.; Andeen, K.; Anderson, T.; Ansseau, I.; Anton, G.; Argüelles, C.; Auffenberg, J.; Axani, S.; Backes, P. (15 February 2019). "Measurement of atmospheric tau neutrino appearance with IceCube DeepCore". Physical Review D. 99 (3) 032007. arXiv:1901.05366. Bibcode:2019PhRvD..99c2007A. doi:10.1103/PhysRevD.99.032007. hdl:1721.1/132130.2.
  33. ^ أ ب Abbasi, R.; Ackermann, M.; Adams, J.; Agarwalla, S. K.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Alameddine, J. M.; Amin, N. M.; Andeen, K.; Anton, G.; Argüelles, C.; Ashida, Y.; Athanasiadou, S.; Axani, S. N.; Bai, X. (20 July 2023). "Measurement of atmospheric neutrino mixing with improved IceCube DeepCore calibration and data processing". Physical Review D. 108 (1) 012014. arXiv:2304.12236. Bibcode:2023PhRvD.108a2014A. doi:10.1103/PhysRevD.108.012014.
  34. ^ Aartsen, M. G.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Alispach, C.; Andeen, K.; Anderson, T.; Ansseau, I.; Anton, G.; Argüelles, C.; Auffenberg, J.; Axani, S.; Backes, P. (January 2020). "Development of an analysis to probe the neutrino mass ordering with atmospheric neutrinos using three years of IceCube DeepCore data: IceCube Collaboration". The European Physical Journal C (in الإنجليزية). 80 (1): 9. arXiv:1902.07771. Bibcode:2020EPJC...80....9A. doi:10.1140/epjc/s10052-019-7555-0. hdl:1721.1/131637.
  35. ^ K. Scholberg (2008). "The SuperNova Early Warning System". Astronomische Nachrichten. 329 (3): 337–339. arXiv:0803.0531. Bibcode:2008AN....329..337S. doi:10.1002/asna.200710934. S2CID 15986602.
  36. ^ M. Chown (22 May 2006). "At last, a way to test time travel". New Scientist. Retrieved 15 October 2009.
  37. ^ "South Pole Neutrino Detector Could Yield Evidences of String Theory". PhysOrg.com. 26 January 2006.
  38. ^ Castelvecchi, Davide (8 August 2016). "Icy telescope throws cold water on sterile neutrino theory". Nature. doi:10.1038/nature.2016.20382.
  39. ^ Abbasi, R.; et al. (IceCube Collaboration) (2009). "First neutrino point-source results from the 22 string Icecube Detector". Astrophysical Journal Letters. 701 (1): L47–L51. arXiv:0905.2253. Bibcode:2009ApJ...701L..47A. doi:10.1088/0004-637X/701/1/L47. S2CID 55074376.
  40. ^ Taboada, I. (2009). "Searches for neutrinos from GRBs with IceCube". AIP Conference Proceedings. 1133: 431–433. Bibcode:2009AIPC.1133..431T. doi:10.1063/1.3155942.
  41. ^ Abbasi, R.; et al. (IceCube Collaboration) (2009). "Limits on a muon flux from neutralino annihilations in the Sun with the IceCube 22 string detector". Physical Review Letters. 102 (20) 201302. arXiv:0902.2460. Bibcode:2009PhRvL.102t1302A. doi:10.1103/PhysRevLett.102.201302. hdl:2440/76774. PMID 19519015. S2CID 32876823.
  42. ^ Hand, E. (3 May 2009). "APS 2009: The muon shadow of the Moon". blogs.nature.com/news/blog/. Archived from the original on 14 May 2009. Retrieved 15 October 2009.[نشر ذاتي سطري?]
  43. ^ (2009) "Moon shadow observation by IceCube".. 
  44. ^ (2009) "Large scale cosmic ray anisotropy with IceCube".. 
  45. ^ Aartsen, M.G.; et al. (IceCube Collaboration) (2013). "Evidence for high-energy extraterrestrial neutrinos at the IceCube Detector". Science. 342 (6161) 1242856. arXiv:1311.5238. Bibcode:2013Sci...342E...1I. doi:10.1126/science.1242856. PMID 24264993. S2CID 27788533.
  46. ^ Devorsky, G. (26 April 2013). "Neutrinos from another galaxy have been discovered in Antarctica". i09.com. Retrieved 29 December 2013.
  47. ^ Aartsen, M.G.; et al. (IceCube Collaboration) (2014). "Observation of high-energy astrophysical neutrinos in three years of IceCube data". Physical Review Letters. 113 (10) 101101. arXiv:1405.5303. Bibcode:2014PhRvL.113j1101A. doi:10.1103/PhysRevLett.113.101101. PMID 25238345. S2CID 220469354.
  48. ^ "Big Bird joins Bert and Ernie". 27 November 2013.
  49. ^ Aartsen, Mark; et al. (13 July 2018). "Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A". Science. 361 (6398) eaat1378. arXiv:1807.08816. Bibcode:2018Sci...361.1378I. doi:10.1126/science.aat1378. PMID 30002226.
  50. ^ Aartsen, Mark; et al. (13 July 2018). "Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert". Science. 361 (6398): 147–151. arXiv:1807.08794. Bibcode:2018Sci...361..147I. doi:10.1126/science.aat2890. PMID 30002248.
  51. ^ Jepsen, Kathryn (2018-07-12). "Scientists trace high-energy cosmic neutrino to its birthplace | symmetry magazine". www.symmetrymagazine.org (in الإنجليزية). Retrieved 2024-04-17.
  52. ^ Overbye, Dennis (12 July 2018). "It came from a black hole, and landed in Antarctica - for the first time, astronomers followed cosmic neutrinos into the fire-spitting heart of a supermassive blazar". The New York Times. Retrieved 13 July 2018.
  53. ^ "Neutrino that struck Antarctica traced to galaxy 3.7 bn light years away". The Guardian. 12 July 2018. Retrieved 12 July 2018.
  54. ^ "Source of cosmic 'ghost' particle revealed". BBC News. 12 July 2018. Retrieved 12 July 2018.[dead link]
  55. ^ Aartsen, M. G.; et al. (11 March 2021). "Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube". Nature. 591 (7849): 220–224. arXiv:2110.15051. Bibcode:2021Natur.591..220I. doi:10.1038/s41586-021-03256-1. PMID 33692563.
  56. ^ Stein, Robert; et al. (22 February 2021). "A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino". Nature Astronomy. 5 (5): 510–518. arXiv:2005.05340. Bibcode:2021NatAs...5..510S. doi:10.1038/s41550-020-01295-8.
  57. ^ Jeanette, Kazmierczak (22 February 2021). "NASA's Swift Helps Tie Neutrino to Star-shredding Black Hole". NASA.
  58. ^ Reusch, Simeon; et al. (3 June 2022). "Candidate Tidal Disruption Event AT2019fdr Coincident with a High-Energy Neutrino". Physical Review Letters. 128 (22) 221101. arXiv:2111.09390. Bibcode:2022PhRvL.128v1101R. doi:10.1103/PhysRevLett.128.221101. hdl:20.500.11937/90027. PMID 35714251. S2CID 244345574.
  59. ^ Buchanan, Mark (3 June 2022). "Neutrinos from a Black Hole Snack". Physics (in الإنجليزية). 15 77. Bibcode:2022PhyOJ..15...77B. doi:10.1103/Physics.15.77. S2CID 251078776.
  60. ^ Abbasi, R.; et al. (4 November 2022). "Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068". Science. 378 (6619): 538–543. arXiv:2211.09972. Bibcode:2022Sci...378..538I. doi:10.1126/science.abg3395. PMID 36378962.
  61. ^ Staff (3 November 2022). "IceCube neutrinos give us first glimpse into the inner depths of an active galaxy". IceCube (in الإنجليزية الأمريكية). Retrieved 23 November 2022.
  62. ^ Astrobites (16 June 2022). "AAS 240: Day 3". AAS Nova (in الإنجليزية الأمريكية). Retrieved 23 November 2022.
  63. ^ IceCube Collaboration (29 June 2023). "Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane". Science. 380 (6652): 1338–1343. arXiv:2307.04427. Bibcode:2023Sci...380.1338I. doi:10.1126/science.adc9818. PMID 37384687. S2CID 259287623.
  64. ^ Lewton, Thomas (29 June 2023). "A New Map of the Universe, Painted With Cosmic Neutrinos". Quanta Magazine.
  65. ^ "Event 142709_10606089".
  66. ^ "Amon IceCube: Gold And Bronze Event Information".
  67. ^ "جائزة نوبل في الفيزياء تُمنح لعالِم رائد في رصد جسيمات كونية "شبحية"". سي إن إن. 2026-10-07. Retrieved 2026-10-07.
  68. ^ "Ice at the South Pole reveals cosmic particle accelerators". لجنة جائزة نوبل للفيزياء. 2026-10-06. Retrieved 2026-10-07.
  69. ^ "Elusive particles from the universe captured at the South Pole". لجنة جائزة نوبل للفيزياء. 2026-10-07. Retrieved 2026-10-07.

وصلات خارجية

الكلمات الدالة:
تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=مرصد_النيوترينو_بمكعب_الثلج&oldid=4375601"