ومض خزان من أنقى المياه، مدفونًا تحت كيلومترات من الصخور في أونتاريو بكندا، عندما اصطدم جسيم بالكاد يمكن اكتشافه عبر جزيئاته.

كان هذا الحدث هو المرة الأولى التي يتم فيها استخدام الماء للكشف عن جسيم يعرف باسم مضاد النيوترينو، والذي تم إطلاقه من مفاعل نووي على بعد أكثر من 240 كيلومترًا (150 ميلًا).

الاختراق، مفصلة في رسائل المراجعة البدنية في عام 2023، كانت المرة الأولى التي يتم فيها استخدام الماء وحده للكشف عن النيوترينوات المضادة من مفاعل بعيد – وفتح ذلك الباب أمام جيل جديد من تكنولوجيا الكشف الأرخص والأكثر أمانًا.

باعتبارها من أكثر الجسيمات وفرة في الكون، النيوترينوات هي أشياء صغيرة غريبة ذات إمكانات كبيرة للكشف عن رؤى أعمق للكون.

لسوء الحظ، فهي عديمة الكتلة تقريبًا، ولا تحمل أي شحنة، وبالكاد تتفاعل مع الجسيمات الأخرى على الإطلاق. وهي في الغالب تتدفق عبر الفضاء والصخور على حد سواء، كما لو أن كل المادة غير مادية.

هناك سبب لتعرفها باسم جزيئات الأشباح.

النيوترينوات المضادة هي نظير الجسيمات المضادة للنيوترينوات. عادة، يكون للجسيم المضاد شحنة معاكسة لجسيمه المكافئ؛ فالجسيم المضاد للإلكترون سالب الشحنة، على سبيل المثال، هو البوزيترون موجب الشحنة.

وبما أن النيوترينوات لا تحمل أي شحنة، فيمكن للعلماء فقط التمييز بين الاثنين على أساس الحقيقة إلكترون النيوترينو سيظهر إلى الوجود جنبًا إلى جنب مع البوزيترون، بينما يظهر الإلكترون المضاد للنيوترينو مع الإلكترون.

جزيئات في النموذج القياسي في الفيزياء لها معادلات للجسيمات المضادة. (تنبيه علمي)

نيوترينوات مضادة للإلكترون تنبعث أثناء اضمحلال بيتا النووي، وهو نوع من الاضمحلال الإشعاعي الذي يضمحل فيه النيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد.

يمكن لأحد مضادات النيوترينو الإلكترونية أن يتفاعل بعد ذلك مع بروتون لإنتاج بوزيترون ونيوترون، وهو تفاعل يعرف باسم اضمحلال بيتا العكسي.

تُستخدم خزانات كبيرة مملوءة بالسوائل ومبطنة بأنابيب مضاعفة ضوئية للكشف عن هذا النوع من التحلل.

لقد تم تصميمها لالتقاط التوهج الخافت لل إشعاع شيرينكوف يتم إنشاؤها بواسطة جزيئات مشحونة تتحرك بسرعة أكبر من قدرة الضوء على الانتقال عبر السائل، على غرار الطفرة الصوتية الناتجة عن كسر حاجز الصوت. لذا فهم حساسون جدًا للضوء الخافت جدًا.

يتم إنتاج النيوترينوات المضادة بكميات هائلة بواسطة المفاعلات النووية، لكنها ذات طاقة منخفضة نسبيًا، مما يجعل اكتشافها صعبًا.

يدخل سنو +. وهو مدفون تحت أكثر من كيلومترين (1.24 ميل) من الصخور، وهو أعمق مختبر تحت الأرض في العالم. يوفر هذا التدريع الصخري حاجزًا فعالًا ضد تداخل الأشعة الكونية، مما يسمح للعلماء بالحصول على إشارات جيدة الحل بشكل استثنائي.

واليوم، يمتلئ خزان المختبر الكروي الذي يبلغ وزنه 780 طنًا بمادة ألكيل بنزين الخطية، وهو وامض سائل يعمل على تضخيم الضوء. ولكن في عام 2018، بينما كانت المنشأة تخضع للمعايرة، كانت مملوءة بالمياه فائقة النقاء – وتبين أن تلك الحالة المؤقتة ذات قيمة علمية.

من خلال البحث في البيانات التي تم جمعها خلال 190 يومًا خلال مرحلة المعايرة في عام 2018، وجد تعاون SNO+ دليلاً على اضمحلال بيتا العكسي.

يتم التقاط النيوترون الناتج خلال هذه العملية بواسطة نواة الهيدروجين الموجودة في الماء، والتي بدورها تنتج توهجًا ناعمًا من الضوء عند مستوى طاقة محدد جدًا، 2.2 ميجا إلكترون فولت.

يكتشف SNO+ ومضات من إشعاع شيرينكوف في خزان كبير من الألكيل بنزين السائل. (التعاون سنو +)

تواجه أجهزة كشف المياه عمومًا صعوبة في اكتشاف الإشارات التي تقل عن 3 ميجا إلكترون فولت؛ لكن SNO + المملوء بالماء كان قادرًا على اكتشاف ما يصل إلى 1.4 ميجا إلكترون فولت. ينتج عن ذلك كفاءة تبلغ حوالي 50% لاكتشاف الإشارات عند 2.2 ميجا إلكترون فولت، لذلك اعتقد الفريق أن الأمر يستحق حظهم في البحث عن علامات اضمحلال بيتا العكسي.

حدد تحليل الإشارة المرشحة أنه من المحتمل أن يتم إنتاجها بواسطة مضاد النيوترينو، بمستوى ثقة يبلغ 3 سيجما – وهو احتمال بنسبة 99.7%.

وتشير النتيجة إلى إمكانية استخدام الماء العادي يومًا ما لمراقبة إنتاج المفاعلات النووية عن بعد.

وأوضح الفيزيائي لوجان ليبانوفسكي من تعاون SNO+ وجامعة كاليفورنيا، بيركلي، في عام 2023 عندما تم الكشف عن النتائج: “من المثير للاهتمام أنه يمكن استخدام الماء النقي لقياس النيوترينوات المضادة من المفاعلات وعلى مثل هذه المسافات الكبيرة”.

“لقد بذلنا جهدًا كبيرًا لاستخراج عدد قليل من الإشارات من بيانات 190 يومًا. وكانت النتيجة مرضية.”

منذ ذلك الحين، واصل SNO+، الذي يعمل الآن في مرحلته الوامضة، إجراء بعض القياسات الأكثر دقة حتى الآن لكيفية تصرف النيوترينوات أثناء انتقالها.

في ديسمبر 2025، أ فريق بقيادة جامعة أكسفورد استخدم الباحثون نفس الكاشف لمراقبة النيوترينوات الشمسية التي تحول ذرات الكربون 13 إلى النيتروجين 13 في أعماق الأرض، وتتبع ومضتين من الضوء تفصل بينهما عدة دقائق – مما يؤكد واحدة من تفاعلات النيوترينو الأقل طاقة التي تم قياسها على الإطلاق.

“على حد علمنا، تمثل هذه النتائج أقل مراقبة للطاقة لتفاعلات النيوترينو على نوى الكربون 13 حتى الآن.” قالت الباحثة في SNOLAB كريستين كراوس.

لأن النيوترينوات موجودة من المستحيل قياسها مباشرة، نحن لا أعرف الكثير عنهم. أحد أكبر الأسئلة هو ما إذا كانت النيوترينوات والنيوترينوات المضادة هما نفس الجسيم بالضبط. إن الاضمحلال النادر الذي لم يسبق له مثيل سيجيب على هذا السؤال. لا يزال SNO+ يبحث عن هذا الاضمحلال.

وقد نشر البحث في رسائل المراجعة البدنية.