فريدريك راينز

فريدريك راينز ( 16 ^مارس 1918 - 26 ^أغسطس 1998) فيزيائي أمريكي . حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام ¹⁹⁹⁵ لاكتشافه النيوترينو بالاشتراك مع كلايد كوان في تجربة النيوترينو . ويُعتقد أنه العالم الوحيد في التاريخ الذي ارتبط اسمه ^{ارتباطًا وثيقًا} باكتشاف ^جسيم أولي وما تلاه من ^دراسة معمقة لخصائصه الأساسية.

بعد تخرجه من معهد ستيفنز للتكنولوجيا وجامعة نيويورك ، انضم راينز إلى مختبر لوس ألاموس التابع لمشروع مانهاتن عام 1944، حيث عمل في القسم النظري ضمن مجموعة ريتشارد فاينمان . وأصبح قائداً للمجموعة هناك عام 1946. وشارك في عدد من التجارب النووية ، وبلغت ذروة مسيرته المهنية بتوليه منصب مدير سلسلة تجارب عملية غرينهاوس في المحيط الهادئ عام 1951.

في أوائل خمسينيات القرن العشرين، وخلال عملهما في موقعي هانفورد وسافانا ريفر ، طوّر راينز وكوان المعدات والإجراءات التي مكّنتهما من رصد النيوترينوات، التي كان يُعتقد سابقًا أنها غير قابلة للرصد، لأول مرة في يونيو 1956. كرّس راينز الجزء الأكبر من حياته المهنية لدراسة خصائص النيوترينو وتفاعلاته، وهو عمل أثّر في دراسة النيوترينو لدى العديد من الباحثين اللاحقين. وشمل ذلك رصد النيوترينوات المتولدة في الغلاف الجوي بفعل الأشعة الكونية ، ورصد النيوترينوات المنبعثة من المستعر الأعظم SN1987A عام 1987 ، والذي دشّن مجال علم فلك النيوترينو .

وُلد فريدريك راينز في باترسون، نيو جيرسي ، وهو واحد من أربعة أبناء لجوسي ( اسمها قبل الزواج  كوهين ) وإسرائيل راينز. كان والداه مهاجرين يهوديين من نفس البلدة في روسيا، لكنهما لم يلتقيا إلا في مدينة نيويورك ، حيث تزوجا لاحقًا. كان لديه أخت أكبر منه تُدعى باولا، والتي أصبحت طبيبة، وشقيقان أكبر منه يُدعيان ديفيد وويليام، واللذان أصبحا محاميين. وقد صرّح بأن "تعليمه المبكر تأثر بشدة" بإخوته المجتهدين. كان ابن شقيق الحاخام يتسحاق يعقوب راينز ، مؤسس حركة مزراحي ، وهي حركة صهيونية دينية . ^{[ 3 ]}

انتقلت العائلة إلى هيلبورن، نيويورك ، حيث كان والده يدير متجرًا عامًا ، وقضى رينز معظم طفولته هناك. وكان كشافًا من فئة النسر . وبالنظر إلى الماضي، قال رينز: "تتمحور ذكريات طفولتي المبكرة حول هذا المتجر الريفي الأمريكي النموذجي والحياة في بلدة أمريكية صغيرة، بما في ذلك احتفالات عيد الاستقلال في يوليو التي تميزت بالألعاب النارية والموسيقى الوطنية التي تُعزف من منصة موسيقية في جناح خاص." ^{[ 4 ]}

غنى راينز في جوقة، وكعازف منفرد. لفترة من الزمن، فكّر في احتراف الغناء، وتلقى دروسًا من مدرب صوتي من دار الأوبرا المتروبوليتانية ، قدمها مجانًا لأن عائلته لم تكن تملك المال الكافي لذلك. ^{[ 4 ]} انتقلت العائلة لاحقًا إلى نورث بيرغن، نيو جيرسي ، وسكنت في شارع كينيدي بوليفارد وشارع 57. ولأن نورث بيرغن لم تكن تضم مدرسة ثانوية، ^{[ 5 ]} التحق بمدرسة يونيون هيل الثانوية في يونيون هيل، نيو جيرسي (التي تُعرف اليوم باسم يونيون سيتي، نيو جيرسي )، ^{[ 4 ] [ 5 ]} وتخرج منها عام 1935. ^{[ 5 ]}

أبدى راينز منذ صغره اهتماماً بالعلوم، وكان يحب ابتكار وبناء الأشياء. وقد تذكر لاحقاً ما يلي:

أتذكر أن أولى بوادر اهتمامي بالعلوم بدأت خلال لحظة ملل في المدرسة الدينية، عندما كنت أنظر من النافذة عند الغسق من خلال يدي الملتفة لمحاكاة التلسكوب ، ولاحظت شيئًا غريبًا في الضوء؛ لقد كانت ظاهرة الانعراج . ومن هنا بدأت لديّ شغفٌ بالضوء. ^{[ 4 ]}

ومن المفارقات أن راينز تفوق في الأدب والتاريخ، لكنه حصل على درجات متوسطة أو منخفضة في العلوم والرياضيات في سنته الأولى من المرحلة الثانوية، مع أنه تحسن في هذين المجالين في سنتيه الثالثة والرابعة بفضل تشجيع أحد المعلمين الذي منحه مفتاح مختبر المدرسة. وقد غرس هذا فيه حب العلوم في سنته الأخيرة. ورداً على سؤال وُجه لطلاب السنة الأخيرة حول ما يرغبون في فعله ليُكتب في كتاب الذكريات، أجاب: "أن أصبح فيزيائياً بارعاً". ^{[ 4 ]}

قُبل راينز في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، لكنه اختار بدلاً من ذلك الالتحاق بمعهد ستيفنز للتكنولوجيا في هوبوكين، نيو جيرسي ، حيث حصل على درجة البكالوريوس في الهندسة الميكانيكية عام 1939، ودرجة الماجستير في الفيزياء الرياضية عام 1941، عن أطروحته بعنوان "مراجعة نقدية لنظرية حيود الضوء". ^{[ 3 ]} تزوج من سيلفيا صامويلز في 30 أغسطس 1940. ^{[ 3 ]} ورُزقا بطفلين، روبرت وأليسا. ^{[ 4 ]} ثم التحق بجامعة نيويورك ، حيث حصل على درجة الدكتوراه في الفلسفة عام 1944. درس الأشعة الكونية هناك تحت إشراف سيرج أ. كورف ، ^{[ 4 ]} لكنه كتب أطروحته تحت إشراف ريتشارد د. بريزنت ^{[ 3 ]} بعنوان "الانشطار النووي ونموذج القطرة السائلة للنواة". ^{[ 6 ]} تأخر نشر الأطروحة حتى بعد نهاية الحرب العالمية الثانية ؛ وقد ظهرت في مجلة Physical Review عام 1946. ^{[ 3 ] [ 7 ]}

في عام ١٩٤٤، استقطب ريتشارد فاينمان راينز للعمل في القسم النظري بمختبر لوس ألاموس التابع لمشروع مانهاتن ، حيث بقي هناك لمدة خمسة عشر عامًا. ^{[ ٤ ]} انضم راينز إلى مجموعة فاينمان T-4 (مسائل الانتشار)، التابعة لقسم هانز بيته T (النظري). كان الانتشار جانبًا مهمًا في حسابات الكتلة الحرجة . ^{[ ٣ ]} في يونيو ١٩٤٦، أصبح راينز قائدًا لمجموعة T-1 (نظرية التنين). كان جهاز التنين، الذي انبثق من تجربة " دغدغة ذيل التنين "، آلة قادرة على الوصول إلى حالة حرجة لفترات قصيرة، ويمكن استخدامه كأداة بحثية أو مصدر طاقة. ^{[ ٨ ]}

شارك راينز في عدد من التجارب النووية ، وكتب تقارير عن نتائجها. وشملت هذه التجارب عملية كروسرودز في بيكيني أتول عام 1946، وعملية ساندستون في إنيويتوك أتول عام 1948، وعمليتي رينجر وباستر -جانجل في موقع نيفادا للتجارب النووية . وفي عام 1951، تولى إدارة سلسلة تجارب غرينهاوس النووية في المحيط الهادئ، والتي شهدت أولى التجارب الأمريكية على أسلحة الانشطار المعزز ، وهي خطوة هامة نحو الأسلحة النووية الحرارية . درس راينز آثار الانفجارات النووية، وشارك في تأليف ورقة بحثية مع جون فون نيومان حول تكوين جذع ماخ، وهو جانب مهم من جوانب موجة الانفجار الجوي . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

على الرغم من دوره في هذه التجارب النووية، أو ربما بسببه، كان راينز قلقًا بشأن مخاطر التلوث الإشعاعي الناجم عن التجارب النووية الجوية، وأصبح من دعاة إجراء التجارب النووية تحت الأرض . في أعقاب أزمة سبوتنيك ، شارك في مشروع جون أرشيبالد ويلر 137، الذي تطور لاحقًا إلى مشروع جيسون . كما كان مندوبًا في مؤتمر الذرات من أجل السلام في جنيف عام 1958. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

النيوترينو جسيم دون ذري اقترحه فولفغانغ باولي لأول مرة في 4 ديسمبر 1930. كان وجود هذا الجسيم ضروريًا لحل مشكلة الطاقة المفقودة في رصد تحلل بيتا ، عندما يتحلل النيوترون إلى بروتون وإلكترون . كان من الضروري أن يحافظ هذا الجسيم الافتراضي الجديد على قانون حفظ الطاقة الأساسي . أعاد إنريكو فيرمي تسميته إلى نيوترينو ، وهي كلمة إيطالية تعني "الجزيء المحايد الصغير" ^{[ 9 ]} ، وفي عام 1934، اقترح نظريته عن تحلل بيتا، والتي بموجبها تتكون الإلكترونات المنبعثة من النواة من تحلل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو: ^{[ 10 ] [ 11 ]}

ن ^٠→ ص ⁺+ e ⁻+ ν_هـ

فسّر النيوترينو الطاقة المفقودة، لكن نظرية فيرمي وصفت جسيمًا ذا كتلة ضئيلة وبدون شحنة كهربائية، ما جعل رصده المباشر يبدو مستحيلاً. في ورقة بحثية نُشرت عام ١٩٣٤، حسب رودولف بيرلز وهانز بيث أن النيوترينوات يمكنها اختراق الأرض بسهولة، وخلصا إلى أنه "لا توجد طريقة عملية لرصد النيوترينو". ^{[ ١٢ ]}

في عام ١٩٥١، قرر راينز وزميله كلايد كوان محاولة رصد النيوترينوات وإثبات وجودها. بعد انتهاء سلسلة تجارب غرينهاوس، حصل راينز على إذن من رئيس قسم T، ج. كارسون مارك ، بالبقاء في مقر إقامته لدراسة الفيزياء الأساسية. "إذن، لماذا أردنا رصد النيوترينو الحر؟" أوضح لاحقًا، "لأن الجميع قالوا إنه مستحيل." ^{[ ١٣ ]}

وفقًا لنظرية فيرمي، كان هناك أيضًا تفاعل عكسي مماثل، حيث يتحد النيوترينو مع البروتون لتكوين نيوترون وبوزيترون : ^{[ 13 ]}

ν_هـ +ف ⁺→ ن ^٠+ هـ ⁺

سرعان ما يُفنى البوزيترون بواسطة إلكترون، مُنتجًا شعاعين من أشعة غاما بطاقة 0.51 ميغا إلكترون فولت، بينما يُلتقط النيوترون بواسطة بروتون، مُطلقًا شعاع غاما بطاقة 2.2 ميغا إلكترون فولت. سيُنتج هذا بصمة مميزة يُمكن رصدها. ثم أدركوا أنه بإضافة ملح الكادميوم إلى الوميض السائل ، سيُعززون تفاعل التقاط النيوترون، مُنتجين انفجارًا من أشعة غاما بطاقة إجمالية قدرها 9 ميغا إلكترون فولت. ^{[ 14 ]} كمصدر للنيوترينو، اقترحوا استخدام قنبلة ذرية. وقد حصلوا على إذن بذلك من مدير المختبر، نوريس برادبري . كانت الخطة هي تفجير "قنبلة نووية بقوة 20 كيلوطن، تُضاهي تلك التي أُلقيت على هيروشيما، اليابان". اقتُرح إسقاط الكاشف لحظة الانفجار في حفرة تبعد 40 مترًا عن موقع التفجير "لالتقاط التدفق عند أقصى حد له"؛ وقد سُمي "إل مونسترو". ^{[ 15 ]} بدأ العمل على حفر بئر للتجربة عندما أقنعهم جيه إم بي كيلوج باستخدام مفاعل نووي بدلاً من قنبلة. على الرغم من كونه مصدراً أقل كثافة للنيوترينوات، إلا أنه كان يتمتع بميزة السماح بإجراء تجارب متعددة على مدى فترة زمنية طويلة. ^{[ 3 ] [ 14 ] [ 15 ]}

في عام 1953، أجروا أولى محاولاتهم باستخدام أحد المفاعلات الكبيرة في موقع هانفورد النووي ، فيما يُعرف الآن بتجربة كوان-راينز للنيوترينو ؛ وأطلقوا على التجربة اسم "مشروع بولترجيست". ^{[ 15 ]} تضمن كاشفهم 300 لتر (66 جالونًا إمبراطوريًا ؛ 79 جالونًا أمريكيًا ) من السائل الوميضي و90 أنبوبًا مضاعفًا ضوئيًا ، لكن جهودهم تعثرت بسبب الضوضاء الخلفية الناتجة عن الأشعة الكونية. بتشجيع من جون أ. ويلر ، حاولوا مرة أخرى في عام 1955، هذه المرة باستخدام أحد المفاعلات الأحدث والأكبر حجمًا بقدرة 700 ميجاوات في موقع نهر سافانا ، والذي كان يُصدر تدفقًا عاليًا من النيوترينو بلغ 1.2 تريليون نيوترينو/سم² ^ثانية . كما كان لديهم موقع مناسب ومحمي جيدًا على بُعد 11 مترًا (36 قدمًا) من المفاعل و 12 مترًا (39 قدمًا) تحت الأرض. ^{[ 13 ]} في 14 يونيو 1956، تمكنوا من إرسال برقية إلى باولي يعلنون فيها عن اكتشاف النيوترينو. ^{[ 16 ]} عندما أُبلغ بيثه بأنه قد ثبت خطأه، قال: "حسنًا، لا ينبغي تصديق كل ما يُقرأ في الصحف." ^{[ 13 ]}      

منذ ذلك الحين، كرّس راينز الجزء الأكبر من حياته المهنية لدراسة خصائص النيوترينو وتفاعلاته، وهو عملٌ أثّر في دراسة النيوترينو لدى الباحثين اللاحقين. ^{[ 17 ]} غادر كوان مختبر لوس ألاموس عام 1957 للتدريس في جامعة جورج واشنطن ، منهيًا بذلك تعاونهما. ^{[ 3 ]} بناءً على عمله في الكشف الأول عن النيوترينو ، أصبح راينز رئيسًا لقسم الفيزياء في جامعة كيس ويسترن ريزيرف من عام 1959 إلى عام 1966. في كيس، قاد فريقًا كان أول من اكتشف النيوترينوات المتولدة في الغلاف الجوي بفعل الأشعة الكونية . ^{[ 14 ]} كان راينز يتمتع بصوتٍ جهوري، وكان مغنيًا منذ طفولته. خلال هذه الفترة، إلى جانب أداء واجباته كمشرفٍ على الأبحاث ورئيسٍ لقسم الفيزياء، غنّى راينز في جوقة أوركسترا كليفلاند بقيادة روبرت شو في عروضٍ مع جورج سيل وأوركسترا كليفلاند . ^{[ 18 ]}

في أوائل الستينيات، بنى راينز كاشفًا في منجم الذهب في إيست راند بالقرب من جوهانسبرج ، جنوب إفريقيا. وقع الاختيار على الموقع لعمقه البالغ 3.5  كيلومترات؛ ^{[ 15 ]} وفي 23 فبراير 1965، التقط الكاشف الجديد أول نيوترينوات جوية. استعان راينز بصديقه، المهندس أوغست "غاس" هروشيكا من الولايات المتحدة، ^{[ 19 ]} وعملوا معًا مع الفيزيائي الجنوب أفريقي فريدل سيلشوب من جامعة ويتواترسراند . ^{[ 3 ]} صُنعت المعدات في معهد كيس ، ونُقل 20 طنًا من سائل الوميض في 50 خزانًا من الولايات المتحدة. واجه قرار العمل في بلد عنصري يطبق نظام الفصل العنصري معارضة من العديد من زملاء راينز، وقد صرّح هو نفسه بأن "العلم يتجاوز السياسة". ^{[ 15 ]} قاد فريق المختبر في المنجم طلاب راينز الخريجون، أولًا ويليام كروب، ثم هنري سوبل. ^{[ 19 ]} استمرت التجربة من عام 1963 وأغلقت في عام 1971، حيث سجلت 167 حدثًا من أحداث النيوترينو. ^{[ 3 ]}

في عام 1966، اصطحب راينز معظم فريقه البحثي في ​​مجال النيوترينو معه عندما انتقل إلى جامعة كاليفورنيا الجديدة في إرفاين (UCI)، ليصبح أول عميد للعلوم الفيزيائية فيها. وفي جامعة كاليفورنيا في إرفاين، وسّع راينز نطاق اهتمامات بعض طلابه الخريجين البحثية لتشمل تطوير أجهزة الكشف عن الإشعاع الطبي ، مثل أجهزة قياس إجمالي الإشعاع الذي يتعرض له جسم الإنسان بالكامل في العلاج الإشعاعي . ^{[ 18 ]}

كان راينز قد استعد لاحتمالية قياس الأحداث البعيدة لانفجار مستعر أعظم. انفجارات المستعرات العظمى نادرة، لكن راينز اعتقد أنه قد يحالفه الحظ برؤية أحدها في حياته، وأن يتمكن من رصد النيوترينوات المتدفقة منه بواسطة كواشفه المصممة خصيصًا. خلال انتظاره لانفجار مستعر أعظم، وضع لافتات على بعض كواشف النيوترينوات الكبيرة لديه، وأطلق عليها اسم "أنظمة الإنذار المبكر للمستعرات العظمى". ^{[ 18 ]} في عام 1987، رصد تعاون إرفاين-ميشيغان-بروكهافن (IMB) النيوترينوات المنبعثة من المستعر الأعظم SN1987A ، مستخدمًا كاشف تشيرينكوف يزن 8000 طن ، موجود في منجم ملح بالقرب من كليفلاند . ^{[ 2 ]} عادةً، تسجل الكواشف عددًا قليلًا من الأحداث الخلفية يوميًا. سجل المستعر الأعظم 19 حدثًا في عشر ثوانٍ فقط. ^{[ 13 ]} يُعتبر هذا الاكتشاف بمثابة افتتاحية لعلم فلك النيوترينوات . ^{[ 2 ]}

في عام 1995، مُنح راينز، إلى جانب مارتن ل. بيرل ، جائزة نوبل في الفيزياء لعمله مع كوان في اكتشاف النيوترينو لأول مرة. لسوء الحظ، توفي كوان عام 1974، وجائزة نوبل لا تُمنح بعد الوفاة. ^{[ 17 ]} كما حصل راينز على العديد من الجوائز الأخرى، بما في ذلك جائزة ج. روبرت أوبنهايمر التذكارية عام 1981، ^{[ 20 ]} والميدالية الوطنية للعلوم عام 1985، وجائزة برونو روسي عام 1989، وجائزة ميكلسون-مورلي عام 1990، وجائزة بانوفسكي عام 1992، وميدالية فرانكلين عام 1992. وانتُخب عضوًا في الأكاديمية الوطنية للعلوم عام 1980، وعضوًا أجنبيًا في الأكاديمية الروسية للعلوم عام 1994. ^{[ 3 ]} وظل عميدًا لكلية العلوم الفيزيائية في جامعة كاليفورنيا في إرفاين حتى عام 1974، وأصبح أستاذًا فخريًا عام 1988، لكنه استمر في التدريس حتى عام 1991، وبقي ضمن هيئة التدريس في جامعة كاليفورنيا في إرفاين حتى وفاته. ^{[ 21 ]}

توفي راينز بعد صراع طويل مع المرض في المركز الطبي بجامعة كاليفورنيا، إرفاين، في أورانج، كاليفورنيا ، ^{[ 1 ]} في 26 أغسطس 1998. ^{[ 3 ]} وقد خلّف وراءه زوجته وأبناءه. ^{[ 1 ]} تُحفظ أوراقه في مكتبات جامعة كاليفورنيا، إرفاين. ^{[ 22 ]} سُمّيت قاعة فريدريك راينز، التي تضم قسم الفيزياء والفلك في جامعة كاليفورنيا، إرفاين، تكريمًا له. ^{[ 23 ]}

• Reines, F. & CL Cowan Jr. “On the Detection of the Free Neutrino” , Los Alamos National Laboratory (LANL) (من خلال الوكالة السابقة Los Alamos Scientific Laboratory), United States Department of Energy (من خلال الوكالة السابقة Atomic Energy Commission ), (August 6, 1953).
• رينز، ف.، كوان، سي إل جونيور، كارتر، آر إي، فاغنر، جيه جيه ووايمان إم إي. "المقطع العرضي لامتصاص النيوترينو المضاد الحر. الجزء الأول: قياس المقطع العرضي لامتصاص النيوترينو المضاد الحر. الجزء الثاني: المقطع العرضي المتوقع من قياسات طيف الإلكترون لشظايا الانشطار" ، مختبر لوس ألاموس الوطني (LANL) (من خلال الوكالة السابقة مختبر لوس ألاموس العلمي)، وزارة الطاقة الأمريكية (من خلال الوكالة السابقة لجنة الطاقة الذرية )، (يونيو 1958).
• Reines, F., Gurr, HS, Jenkins, TL & JH Munsee. "تجارب النيوترينو في المفاعلات" ، جامعة كاليفورنيا-إرفاين ، جامعة كيس ويسترن ريزيرف ، وزارة الطاقة الأمريكية (من خلال الوكالة السابقة لجنة الطاقة الذرية )، (9 سبتمبر 1968).
• روبرتس، أ.، بلود، هـ.، ليرند، ج. و ف. رينز. "حالة وأهداف مشروع DUMAND Neutrino: المحيط ككاشف للنيوترينو" ، مختبر فيرمي الوطني للمسرعات (FNAL)، وزارة الطاقة الأمريكية (من خلال الوكالة السابقة إدارة أبحاث وتطوير الطاقة )، ​​(يوليو 1976).
• راينز، ف. (1991). النيوترينوات ومواضيع أخرى: مختارات من أعمال فريدريك راينز . تينيك، نيوجيرسي: وورلد ساينتيفيك. ISBN 978-981-02-0392-4.

• قائمة الحائزين اليهود على جائزة نوبل

• كلوز، فرانك إي. (2012). النيوترينو . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 9780199574599. OCLC 840096946 . 
• تروسلو، إديث C.؛ سميث، رالف كارلايل (1983) [1961]. تاريخ منطقة مانهاتن، المشروع Y، قصة لوس ألاموس، المجلد الثاني: أغسطس 1945 إلى ديسمبر 1946 . لوس أنجلوس: دار توماش للنشر. رقم ISBN 978-0-938228-08-0تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 فبراير 2014. نُشر أصلاً بعنوان تقرير لوس ألاموس LAMS-2532

• دليل أوراق فريدريك راينز. المجموعات الخاصة والمحفوظات، مكتبات جامعة كاليفورنيا في إرفاين، إرفاين، كاليفورنيا.
• فريدريك راينز على موقع Nobelprize.org، بما في ذلك محاضرة نوبل، 8 ديسمبر 1995، بعنوان: النيوترينو: من شبح إلى جسيم