تجربة النيوترينو

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

تجربة النيوترينو أو تجربة كووان-راينس لاكتشاف النيوترينو في الفيزياء (بالإنجليزية:neutrino experiment أو Cowan and Reines neutrino experiment ) أجرى تلك التجربة العالمان الفيزيائيان كلايد كووان و فريدريك راينس عام 1956. وقد أكدت تلك التجربة وجود نقيض النيوترينو أو مضاد النيوترينو ، وهو جسيم أولي متعادل الشحنة الكهربية ذو كتلة قريبة من الصفر.

تاريخ[عدل]

أثناء دراسة تحلل بيتا في الثلاثينيات من القرن الماضي لوحظ أن جسيم ثالث ، ذو كتلة قريبة من الصفر ، وشحنته متعادلة يشترك في تحلل بيتا الذي يحدث لبعض الأنوية الذرية ولكن هذا الجسيم لم تمكن رؤيته.

وكان ذلك بسبب امتداد طاقة الإلكترون وكمية حركته الصادر أثناء تحلل بيتا للنواة. وكان السبب الوحيد لتفسير تلك الظاهرة هو اعتبار تولد جسيم غير مرئي وليست له شحنة وليست له كتلة ويصدر أثناء هذا التحلل. وبأن ذلك الجسيم المفترض يحمل الطاقة الناقصة الناتجة عن التحلل.

احتياج التجربة[عدل]

طبقا لظن وجود جسيم أولي ثالث يشترك في تحلل بيتا وسمي نقيض نيوترينو الإلكترون (\bar{\nu}_e) فقد افترض أنه يتفاعل مع البروتون لإنتاج نيوترون وبوزيترون - (البوزيترون هو نقيض الإلكترون) ، طبقا للتفاعل :

\bar{\nu}_e + \mbox{p}^+ \rightarrow \mbox{n} + \mbox{e}^+

وسرعان ما يجد البوزيترون الناشئ إلكترونا فيفني كل واحد الآخر. وينشأ عنهما شعاعين من أشعة جاما تحمل طاقتهما ويمكن تسجيلهما. كما يمكن في نفس الوقت قياس النيوترون الناتج من التحلل عن طريق امتصاصه بنواة ذرة مناسبة ، فهذا الامتصاص يصدر أيضا شعاعا من أشعة جاما.

و تزامن قياس الثلاثة أشعة الصادرة - أي قياسهم في نفس الوقت - لهو دليل على صدورهم من تحلل واحد. مما يدل على وجود نقيض النيوترينو.

وترتبط معظم ذرات الهيدروجين في جزيئات الماء ولكل واحدة نواة عبارة عن 1 بروتون. فيمكن باستخدام تلك البروتونات كأهداف للانقيض النيوترينوات التي تصدر من مفاعل نووي. ومن المعروف أن أنوية عناصر أكبر كتلة عن الهيدروجين تركيبها معقدة ، حيث تحتوي النواة عندئذ على أعداد من البروتونات والنيوترونات ، ولا يمكن اعتبار أن البروتون حرا فيها. (انفراد البروتون في التفاعل مع نقيض النيوترينو يسهل القياس).

التجربة[عدل]

استخدم كوون وراينيس مفاعلا نوويا طبقا لإشارة رئيس قسم الفيزياء بمعمل أبحاث لوس ألاموس البروفسسور كيلوج ، ,[1] واستخدامه كمصدر لفيض النيوترينو بشدة 5×1013 نيوترينو في الثانية لكل سنتيمتر مربع. [2] far higherوهذا القيض أشدكثافة عن أي مصدر آخر للنيوترينوات.

وتفاعلت النيوترينوات (طبقا للتفاعل المذكور أعلاه) مع البروتونات في خزان للماء ، فأنتج نيوترونات وبوزيترونات. وانتج كل بوزيترون زمجا من أشعة جاما عند فنائه مع أحد الإلكترونات.

وقد سجلت أشعة جاما عن طريق إضافة مادة إلى الماء تصدر ضوءا عند امتصاصها لأشعة جاما scintillator.فأعطت المادة ذات خاصية الإضاءه (برق) ضوءا عن كل شعاع جاما تمتصه ، وجمعت البرقات الضوئية بواسطة صمام تضخيم ضوئي.

ولكن نتائج التجربة الأولى لم تكن مقنعة تماما ففكر الفيزيائيان في تجربة ثانية. وقاما بعد النيوترونات وذلك بإضافة كلوريد الكادميوم في خزان الماء. ويتمتع الكادميوم بمقطع لامتصاص النيوترونات كبير وهو يصدر شعاع من أشعة جاما عند امتصاصه النيوترون.

\mbox{n} + ^{108} \mbox{Cd} \rightarrow ^{109} \mbox{Cd}* \rightarrow ^{109} \mbox{Cd} + \gamma

يصتدم النيوترون n بنواة الكادميوم-108 فيتحول إلى كادميوم-109 ثائرة [* أي عالية الطاقة] وتتخلص النواة المثارة من طاقتها الزائدة عن طريق إطلاقها في هيئة شعاع جاما.


وضُبط جهاز القياس بحيث يسجل شعاع جاما الصادر من الكادميوم بعد مرور 5 ميكروثانية بعد تسجيل شعاعي جاما الصادران عن البوزيترون، وذلك في حالة انتمائهما لنفس التفاعل الذي أجراه النيوترينو.

النتائج[عدل]

انتقلت التجربة بعد ذلك إلى مفاعل سافانا ريفر حيث يتيح هذا المكان إمكانية حجب الأشعة الكونية المشوشرة على التفاعل عن التجربة. وكانت التجربة على بعد 11 متر من المفاعل ومحجوبة عنه بحائل سميك ، وأجريت تحت الأرض على عمق 12 متر.

واستخدم الباحثان خزانين ممتلئان بالماء بحجم كلي 200 لتر من الماء وأذيب في الماء 40 كيلوجرام من كلوريد الكادميوم. وفي الحيز الموجود بين الخزانين وضعت ثلاثة طبقات من المادة المضيئة وزودت بعدد 110 صمام تضخيم ضوئي ، ويبلغ قطر المساحة الحساسة للصمام 127 مليمتر.

وبعد تجميع النتائج لمدة عدة أشهر حصل الباحثين على نحو 3 نيوترينوات في الساعة سجلهم العداد. وللتأكد من أن القياس الذي حصلوا عليه نتيجة النيوترينو ، فقد قاما بقفل المفاعل وأجروا القياس مرة ثانية فكان هناك فرق في عدد القياسات الناتجة.

وقد كان تقديرهم قبل التجربة بأن مقطع التفاعل cross-section سيبلغ 6 times;10−44 سنتيمتر مربع وكان مقداره نتيجة القياس 6.3 &;10−44 سنتيمتر مربع. وقام الباحثان بنشر نتيجة تجربتهما في المجلة العلمية ساينس بتاريخ 20 يوليو 1956. [3][4]

وتوفي كلايد كوون عام 1874 ، وحاز فريدريك راينس على جائزة نوبل للفيزياء عام 1995 عن أبحاثه عن النيوترينو. [5]

إنظر أيضا[عدل]

مصدر[عدل]

  1. ^ "The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist". Los Alamos Science 25: (page 3). 1997. اطلع عليه بتاريخ 2009-10-20. 
  2. ^ Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc. 
  3. ^ C.L Cowan Jr., F. Reines, F.B. Harrison, H.W. Kruse, A.D McGuire (July 20, 1956). "Detection of the Free Neutrino: a Confirmation". Science 124 (3212): 103. doi:10.1126/science.124.3212.103. 
  4. ^ Winter، Klaus (2000). Neutrino physics. Cambridge University Press. صفحة 38ff. 
    This source reproduces the 1956 paper.
  5. ^ "The Nobel Prize in Physics 1995". Nobelprize.org. اطلع عليه بتاريخ 29 June 2010.