تحت جبل Ikeno ، اليابان ، في منجم قديم يقع على بعد 1000 متر (3300 قدم) تحت السطح ، يقع مرصد Super-Kamiokande (SKO). منذ عام 1996 ، عندما بدأ الباحثون في إجراء عمليات المراقبة ، كانوا يستخدمون كاشف Cherenkov التابع لهذه المنشأة للبحث عن علامات تحلل البروتون والنيوترينو في مجرتنا. هذه ليست مهمة سهلة ، حيث يصعب اكتشاف النيوترينوات.
ولكن بفضل نظام الكمبيوتر الجديد الذي سيكون قادرًا على مراقبة النيوترينوات في الوقت الفعلي ، سيتمكن الباحثون في SKO من البحث عن جزيئات الألغاز هذه عن كثب في المستقبل القريب. من خلال ذلك ، يأملون في فهم كيفية تشكل النجوم وانهيارها في النهاية إلى ثقوب سوداء ، والتسلل إلى قمة كيفية إنشاء المادة في أوائل الكون.
النيوترينوات ، ببساطة ، هي أحد الجسيمات الأساسية التي يتكون منها الكون. مقارنة بالجسيمات الأساسية الأخرى ، فإن كتلتها قليلة جدًا ، ولا تحمل شحنة ، وتتفاعل فقط مع أنواع أخرى من الجسيمات عبر القوة النووية الضعيفة والجاذبية. يتم إنشاؤها في عدد من الطرق ، وأبرزها من خلال الاضمحلال الإشعاعي ، والتفاعلات النووية التي تشغل النجم ، والمستعرات الأعظمية.
وفقًا لنموذج Big Bang القياسي ، فإن النيوترينوات المتبقية من إنشاء الكون هي الجسيمات الأكثر وفرة في الوجود. في أي لحظة ، يعتقد أن تريليونات هذه الجسيمات تتحرك من حولنا ومن خلالنا. ولكن بسبب الطريقة التي يتفاعلون بها مع المادة (أي بشكل ضعيف فقط) يكون من الصعب للغاية اكتشافها.
لهذا السبب ، تم بناء مراصد النيوترينو عميقًا تحت الأرض لتجنب التدخل من الأشعة الكونية. كما أنها تعتمد على كاشفات Cherenkov ، وهي في الأساس خزانات مياه ضخمة تحتوي على آلاف أجهزة الاستشعار المبطنة لجدرانها. هذه المحاولات للكشف عن الجسيمات لأنها تتباطأ إلى سرعة الضوء المحلية (أي سرعة الضوء في الماء) ، وهو ما يتجلى من خلال وجود توهج - يُعرف بإشعاع Cherenkov.
جهاز الكشف في SKO هو الأكبر حاليًا في العالم. وتتكون من خزان أسطواني من الفولاذ المقاوم للصدأ يبلغ طوله 41.4 م (136 قدمًا) وقطره 39.3 م (129 قدمًا) ، ويحمل أكثر من 45000 طن متري (50.000 طن أمريكي) من المياه فائقة النقاء. في الداخل ، يتم تركيب 11146 أنبوبًا مضاعفًا ضوئيًا ، والذي يكتشف الضوء في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي بحساسية شديدة.
لسنوات ، استخدم الباحثون في SKO المرفق لفحص النيوترينو الشمسي والنيوترينوهات الجوية والنيوتريونات التي من صنع الإنسان. ومع ذلك ، من الصعب جدًا اكتشاف تلك التي تم إنشاؤها بواسطة المستعرات الأعظمية ، حيث تظهر فجأة ويصعب تمييزها عن الأنواع الأخرى. ومع ذلك ، مع نظام الكمبيوتر المضاف حديثًا ، يأمل الباحثون في Super Komiokande أن يتغير ذلك.
كما أوضح لويس لابارجا ، الفيزيائي في جامعة مدريد المستقلة (إسبانيا) وعضو التعاون ، في بيان صدر حديثًا إلى خدمة الأخبار العلمية (SINC):
"إن انفجارات المستعر الأعظم هي واحدة من أكثر الظواهر حيوية في الكون ، ومعظم هذه الطاقة تنطلق في شكل نيوترينوات. هذا هو السبب في أن اكتشاف وتحليل النيوترينوات المنبعثة في هذه الحالات ، بخلاف تلك الصادرة عن الشمس أو مصادر أخرى ، مهم جدًا لفهم آليات تكوين النجوم النيوترونية - نوع من البقايا النجمية - والثقوب السوداء ".
في الأساس ، تم تصميم نظام الكمبيوتر الجديد لتحليل الأحداث المسجلة في أعماق المرصد في الوقت الحقيقي. إذا اكتشفت تدفقات كبيرة بشكل غير طبيعي من النيوترينوات ، فسوف تنبه بسرعة الخبراء الذين يديرون عناصر التحكم. سيتمكنون بعد ذلك من تقييم أهمية الإشارة في غضون دقائق ومعرفة ما إذا كانت قادمة من مستعر أعظم قريب.
وأضاف لابارجا: "خلال انفجارات المستعر الأعظم ، يتم إنتاج عدد هائل من النيوترينوات في فترة زمنية صغيرة للغاية - بضع ثوان - وهذا هو سبب حاجتنا إلى الاستعداد". "يسمح لنا هذا بالبحث في الخصائص الأساسية لهذه الجسيمات الرائعة ، مثل تفاعلاتها ، وتسلسلها الهرمي والقيمة المطلقة لكتلتها ، ونصف عمرها ، وبالتأكيد خصائص أخرى لا زلنا لا نستطيع تخيلها".
بنفس القدر من الأهمية هو أن هذا النظام سيعطي SKO القدرة على إصدار تحذيرات مبكرة لمراكز البحث في جميع أنحاء العالم. ستتمكن المراصد الأرضية ، حيث يحرص الفلكيون على مراقبة إنشاء النيوترينات الكونية بواسطة المستعر الأعظم ، من توجيه جميع أجهزتهم الضوئية نحو المصدر مقدمًا (حيث ستستغرق الإشارة الكهرومغناطيسية وقتًا أطول للوصول).
من خلال هذا الجهد التعاوني ، قد يتمكن علماء الفيزياء الفلكية من فهم بعض أكثر النيوترينات مراوغة على الإطلاق. إن التعرف على كيفية تفاعل هذه الجسيمات الأساسية مع الآخرين يمكن أن يقربنا خطوة واحدة إلى النظرية الموحدة الكبرى - أحد الأهداف الرئيسية لمرصد Super Kamiokande.
حتى الآن ، لا يوجد سوى عدد قليل من كاشفات النيوترينو في العالم. وتشمل هذه كاشف Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) في أوهايو ومرصد Subdury Neutrino (SNOLAB) في أونتاريو بكندا ومرصد Super Kamiokande في اليابان.
