Probing eV-scale sterile neutrinos with neutrinoless double-beta decay and beta decay

تعد النيوترينوهات أكثر الجسيمات الكتلوية وفرة في الكون، ومع ذلك تظل من بين أكثرها مراوغة. فهي تمر عبر الأرض وأجسادنا بترليونات في كل ثانية، ونادراً ما تتفاعل مع أي شيء. لعقود من الزمن، أكدت التجارب أن هذه الجسيمات لها كتلة وأنها يمكن أن تغير هويتها، وهي ظاهرة تُعرف باسم التذبذب. ومع ذلك، فإن الصورة الكاملة لعائلة النيوترينو لا تزال غير مكتملة. تصف النماذج القياسية ثلاثة أنواع من النيوترينوهات النشطة، لكن العديد من الشذوذات التجريبية قد لمحت إلى وجود نوع رابع "عقيم". وخلافاً للأنواع النشطة، فإن النيوترينو العقيم لن يتفاعل عبر القوة النووية الضعيفة، مما يجعله غير مرئي لمعظم الكواشف. وإذا وجد مثل هذا الجسيم بكتلة تقارب إلكترون فولت واحد، فقد يغير فهمنا لفيزياء الجسيمات وتطور الكون بشكل جذري.

يعتمد البحث عن هذا الجسيم الخفي على طريقتين متميزتين ولكنهما متكاملتان. تبحث إحدى الطرق في عملية نووية نادرة تسمى اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو، حيث يتحول نيوترونان في ذرة إلى بروتونين وإلكترونين دون انبعاث أي نيوترينوهات. لن تحدث هذه العملية إلا إذا كانت النيوترينوهات هي نفسها مضادات لجسيماتها، وهي خاصية تُعرف بأنها جسيمات "مايورانا". يعتمد معدل هذا الاضمحلال على مزيج محدد من كتل النيوترينوهات وأطوارها الكمومية الداخلية. أما الطريقة الثانية فتتضمن قياسات مباشرة لاضمحلال بيتا، حيث يحلل العلماء طيف الطاقة للإلكترونات المنبعثة من الذرات المتحللة لتحديد الكتلة الإجمالية للنيوترينوهات المعنية. وبينما تكون الطريقة الأولى حساسة للأطوار الكمومية وطبيعة الجسيمات، فإن الثانية توفر قياساً مباشراً للكتلة لا يعتمد على الطور.

لقد قام الباحثان رويشا يانغ وجياجون لياو من جامعة سون يات سين بدمج هذين المسارين من الاستقصاء لاختبار مدى قابلية فرضية النيوترينو العقيم. وقد ركزا على سيناريو محدد يوجد فيه نيوترينو عقيم رابع بكتلة في نطاق الإلكترون فولت. ويعالج عملهما مشكلة حرجة: في نموذج النيوترينوهات الثلاثة القياسي، يكون لمعدل اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو المتوقع قيمة دنيا لأنماط معينة من الكتل. ومع ذلك، إذا وجد نيوترينو عقيم، فقد تتدخل مساهمته بشكل هدام مع مساهمات النيوترينوهات الثلاثة المعروفة. هذا التداخل يمكن أن يلغي الإشارة، مما يؤدي إلى خفض معدل الاضمحلال المتوقع إلى الصفر ويخفي النيوترينو العقيم فعلياً عن الكشف بهذه الطريقة وحدها. وقد بحث المؤلفان فيما إذا كانت القيود المستقلة من قياسات كتلة اضمحلال بيتا يمكن أن تمنع هذا الإلغاء، وبالتالي تكشف النقاب عن النيوترينو العقيم.

باستخدام أحدث وأدق البيانات من تجارب تذبذب النيوترينو، بما في ذلك النتائج الأولى من كاشف JUNO، رسم الفريق الخرائط للخصائص الممكنة لهذا الجسيم العقيم الافتراضي. وقد حسبوا المناطق المسموح بها لكتلة النيوترينو العقيم وقوة اختلاطه مع النيوترينوهات المعروفة. وكشف تحليلهم أن فرض حد أقصى لكتلة النيوترينوهات الثلاثة الخفيفة، كما هو محدد بواسطة تجارب اضمحلال بيتا، يضيق بشكل كبير القيود المفروضة على النيوترينو العقيم. فمن خلال تقييد كتلة النيوترينوهات النشطة، يقلل حد اضمحلال بيتا من قدرة النيوترينو العقيم على تحقيق هذا "الإلغاء". وبتعبير أبسط، إذا كانت النيوترينوهات المعروفة خفيفة جداً بحيث لا توفر إشارة كبيرة، فلا يمكن للنيوترينو العقيم ببساطة أن يلغيها لتصل إلى الصفر؛ بل يجب أن يمتلك خصائص محددة ليتناسب مع النافذة الضيقة المتبقية من الاحتمالات.

ووجد البحث أن النتيجة تعتمد بشدة على ترتيب كتل النيوترينوهات. في السيناريو الذي تزداد فيه الكتل في تسلسل معين، يُسمح بنطاق واسع من الأطوار الكمومية للنيوترينو العقيم عندما تكون كتلته العقيمة صغيرة. ومع ذلك، مع زيادة الكتلة العقيمة، تضيق الأطوار المسموح بها، مما يفضل القيم القريبة من نقطة محددة تعظم التداخل الهدام. وفي ترتيب الكتلة البديل، تكون القيود أكثر صرامة. واكتشف الباحثون أنه بالنسبة لترتيب الكتلة المعكوس، يجب أن يكون النيوترينو العقيم كبيراً بما يكفي لإلغاء الإشارة المتبقية من النيوترينوهات النشطة، ولكن ليس كبيراً لدرجة تتجاوز الحدود التي وضعتها قياسات اضمحلال بيتا. وتحت الظروف المحددة التي اختبروها، بما في ذلك الحساسية المستقبلية المتوقعة لقياسات كتلة اضمحلال بيتا، لا يوجد حل صالح لترتيب الكتلة المعكوس إذا تم دفع حد كتلة اضمحلال بيتا إلى ما دون عتبة معينة.

تتضمن الرؤية الأساسية لعملهم الطور الكمومي للنيوترينو العقيم، وهي خاصية تحدد كيفية تداخل مساهمته مع الآخرين. وقد استخدم المؤلفون نهجاً هندسياً لتصور هذا التفاعل، حيث عاملوا مساهمات النيوترينوهات المختلفة كمتجهات في مستوى مركب. وأظهروا أنه لكي يلغي النيوترينو العقيم الإشارة من النيوترينوهات النشطة، يجب أن يتوافق طوره بطريقة محددة للغاية بالنسبة للآخرين. ومع ازدياد ثقل النيوترينو العقيم، تتقلص نطاقات الأطوار التي تسمح بهذا الإلغاء. وإذا أصبحت الحدود التجريبية لمعدل الاضمحلال أكثر صرامة، يصبح نطاق الأطوار المسموح به أضيق، مما يؤدي في النهاية إلى القضاء على إمكانية الإلغاء تماماً. ويوفر هذه العلاقة الهندسية تفسيراً فيزيائياً واضحاً لسبب السماح ببعض تركيبات الكتلة والطور بينما تُمنع أخرى.

كما فحص الباحثون كيف تؤثر البيانات الجديدة من تجربة JUNO، التي حسنت دقة القياسات للنيوترينوهات المعروفة، على هذه النتائج. ووجدوا أنه بينما تضيق البيانات المحدثة عدم اليقين في المناطق المسموح بها قليلاً، لا سيما لترتيب الكتلة المعكوس، فإن المحرك الرئيسي للقيود الجديدة هو الجمع بين الطريقتين التجريبيتين المختلفتين. إن التآزر بين حدود اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو وحدود كتلة اضمحلال بيتا يخلق شبكة أكثر إحكاماً مما يمكن لأي طريقة منهما إلقاؤها بمفردها. ويخلص البحث إلى أن التجارب المستقبلية القادرة على قياس كتلة اضمحلال بيتا بدقة عالية، مثل Project 8، ستكون حاسمة. فإذا تمكنت هذه التجارب من تأكيد أن النيوترينوهات الخفيفة أخف من قيمة معينة، فإنها ستستبعد فعلياً إمكانية وجود نيوترينو عقيم يختبئ من خلال التداخل الهدام في سيناريو الترتيب المعكوس، وستفرض قيوداً شديدة على مجال بارامترات الترتيب الطبيعي.

يبرهن هذا العمل على أن السعي وراء النيوترينو العقيم لا يقتصر فقط على البحث عن إشارة، بل يتعلق أيضاً بفهم كيفية ترابط قطع اللغز معاً. فمن خلال الجمع بين المعلومات الحساسة للطور في اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو وحدود الكتلة المستقلة عن الطور في اضمحلال بيتا، يمكن لعلماء الفيزياء اختبار اتساق فرضية النيوترينو العقيم بصرامة غير مسبوقة. وتشير النتائج إلى أنه إذا وجد نيوترينو عقيم في نطاق الإلكترون فولت، فيجب أن يمتلك خصائص محددة جداً فيما يتعلق بكتلته، وقوة اختلاطه، وطوره الكمومي. لا تثبت الدراسة وجود الجسيم، ولا تنفي وجوده بشكل نهائي، لكنها توفر خارطة طريق واضحة لكيفية قيام البيانات المستقبلية إما بتأكيد وجوده أو إغلاق الباب على هذه النسخة المحددة من النظرية. إن التفاعل بين هذين الأفقين التجريبيين يقدم أداة قوية لسبر الطبيعة الأساسية للمادة والقطاعات الخفية في الكون.