ذره ای اسرار آمیز و عجیب به نام نوترینو

نوترینوها با سایر مواد واکنش‌پذیری بسیار کمی دارند و می‌توانند از بین ذرات به‌ راحتی عبور کنند. نوترینوها از سوی ستاره‌های دیگر در تمامی جهات ساطع می‌شوند و از یک سمت وارد سیاره‌ی زمین و از سمت دیگر بدون کوچک‌ترین مانعی، خارج می‌شوند. ایده‌ی نوترینو از زمانی به وجود آمد که ولفگانگ پائولی (Wolfgang Pauli) چاره‌ای برای حفظقانون پایستگی انرژی در تولید ذرات بتا اندیشید. پائولی هنگامی که برای نخستین بار تئوری خود را ارائه داد، نوترون هنوز کشف نشده بود. ولفگانگ پائولی در سال 1930، برای نخستین بار این ذرات را پیش‌بینی کرده بود. در آن زمان آزمایش‌هایی که روی واپاشی هسته‌ای بتا انجام شده بود با قانون پایستگی انرژی و تکانه، تناقض داشت. او معتقد بود که در این آزمایش، ذره‌ای مرموز تولید می‌شود که بدون برهم‌کنش با دستگاه‌های آشکارساز، مقداری از انرژی و تکانه‌ی واکنش را با خود می‌برد.

نوترینو به‌ندرت وارد برهمکنش می‌شود و برخلاف تصور قبلی، اندکی جرم دارد

فردریک رینز (frederick reines) در زمینه‌ی تشعشات هسته‌ای و پرتوهای رادیواکتیو تحقیق می‌کرد که همین تحقیقات در سال ۱۹۵۶ منجر به کشف و اثبات وجود نوترینو شد. نوترینو یک ذره‌ی بنیادی و از نظر الکتریکی خنثی است و به‌ندرت وارد برهم‌کنش می‌شود. همین موضوع یکی از دلایلی است که این ذره، مدت‌های طولانی از نگاه دانشمندان دور بود. نوترینوها تقریبا نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند و قادرند از درون مواد بدون هیچ برهم‌کنشی عبور کنند. نوترینوها دارای جرم بسیار اندک و غیر صفر هستند. این ذرات شبح‌مانند، از آنجایی که بار الکتریکی ندارند، حتی تحت تاثیر جریان‌های مغناطیسی نیز قرار نمی‌گیرند و بدون هیچ اثری از میان قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی به‌راحتی عبور می‌کنند. این ذرات در فرآیندهایی همانند فعل و انفعالات هسته‌ای خورشید یا برخورد پرتوهای کیهانی شکل می‌گیرند.

بیشتر نوترینوهایی که از زمین عبور می‌کنند، بر اثر فرآیندهای خورشیدی به‌وجود می‌آیند و در هر ثانیه، از هر سانتی‌متر مربع زمین، حدود ۶۵ میلیارد نوترینوی خورشیدی عبور می‌کنند. در سال ۱۹۱۴، جیمز چادویک به مسئله‌ی ابهام‌آمیزی مربوط به انرژی حرکتی ذراتی که از مواد رادیواکتیو صادر می‌شوند برخورد کرد؛ ولی نتوانست به نتیجه‌ی خاصی دست پیدا کند. ولفگانگ پائولی در سال ۱۹۳۰ ، حتی قبل از کشف نوترون‌ ایده‌ی وجود نوترینو را مطرح کرد ولی نتوانست صحبت‌های خود را اثبات کند و معمای چادویک همچنان نامشخص باقی ماند تا اینکه در سال ۱۹۵۶ فردریک رینز به همراه کلاید کووان، توانست وجود نوترینوها را اثبات کند. فردریک رینز به دلیل کشف نوترینوها در سال ۱۹۹۵، موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شد. اما اولین جایزه‌ی نوبل فیزیک در رابطه با نوترینوها، در سال ۱۹۸۸ به لیان لدرمن، ملوین شوارتز و جک اشتینبرگر، تعلق گرفته بود.

این سه فیزیکدان در سال ۱۹۶۲ موفق به کشف نوع دومی از نوترینوها شده بودند. در چارچوب مدل استاندارد ذرات، نوترینوها در کنار الکترون‌ها و میون‌ها، که هیچ‌یک از آنها نقشی در ساختاربندی هسته‌ی اتم ندارند، به لپتون‌‌ها شکل می‌دهند. کوون و رینز موفق به کشف نوترینوهایی از نسل اول لپتون‌ها، به‌نام الکترون‌ نوترینو شده بودند؛ در حالی کهلدرمن، شوارتز و اشتینبرگر نوترینوهایی از نسل دوم لپتون‌ها به‌نام میون‌ نوترینو را کشف کرده بودند. دستاورد راینز و کوان، گام مهمی در شناخت فیزیک نوترینوها محسوب می‌شد. این دستاورد، راه را برای توسعه‌ی سیستم‌های آشکارساز نوترینو باز کرد. با توسعه‌ی چنین سیستم‌هایی مشخص شد که نوترینوها هم در خورشید و ستارگان و همچنین در انفجارهای عظیم ابرنواختری نیز به میزان بسیار فراوان ایجاد می‌شوند.

درواقع بیش از ۹۹ درصد انرژی خارق‌العاده‌ی این انفجارهای کیهانی توسط نوترینوها حمل می‌شود. امروزه می‌دانیم که نوترینو، یکی از فراوان‌ترین ذرات جهان است به‌ طوری‌که در هر پروتون، حدود یک میلیارد نوترینو در جهان وجود دارد. نوترینوها ذراتی هستند که به‌ندرت با دیگر ذرات از جمله ماده، وارد برهم‌کنش می‌شوند. آنها سه نوع هستند که با نام الکترون، میون و تاو شناخته می‌شوند. برندگان نوبل سال ۲۰۱۵، نشان دادند که وقتی نوترینوها با سرعت نزدیک به نور حرکت می‌کنند، می‌توانند تغییر نوع بدهند و مثلا از الکترون تبدیل به میون شوند. نوترینوها برخلاف چیزی که قبل از آن تصور می‌شد، کاملا فاقد جرم نیستند.

دستاورد راینز و کوان در شناخت نوترینوها، باعث شد راه را برای توسعه‌ی سیستم‌های آشکارساز نوترینو باز کند

به این دلیل که طبق نظریه‌ی نسبیت خاص انیشتین، ذرات بی‌جرم با سرعت نور حرکت می‌کنند و زمان برای آن‌ها ثابت است، در نتیجه نمی‌توانند تغییر ماهیت بدهند. این یافته‌ها باعث شد که پنجره‌ای جدید در فیزیک‌ ذرات باز شود و پژوهشگران به دنبال زمینه‌هایی مانند نوسان نوترینوها، بروند. مطالعه‌ی این نوسان‌ها باعث می‌شود که بتوانیم به پرسش‌های بنیادین، مثل اینکه چرا به هنگام تکامل عالم، به یک‌باره نسبت ماده به پاد ماده افزایش یافت، پاسخ بدهیم. نوترینوها عجیب‌ترین و ناشناخته‌ترین نوع شناخته شده از اجزای زیراتمی هستند. نوترینوها با گذشت زمان از عناصر رادیواکتیو به‌وجود می‌آیند و به‌ندرت با ماده تعامل دارند. در نتیجه مشاهده و مطالعه‌ی آن‌ها بسیار سخت است. هر ثانیه، میلیاردها نوترینو با سرعت نزدیک به نور از زمین عبور می‌کنند. نوترینوها را تنها زمانی می‌توان مشاهده کرد که به‌صورت غیرمستقیم با اجزای دیگری برخورد و تولید میون می‌کنند.

بر اساس نظریه‌ی نسبیت انیشتین، سرعت نور یک ثابت جهانی است که بخشی از معادله معروف E = mc2 را به خود اختصاص داده است. در این معادله، E انرژی، m جرم و c سرعت نور را نشان می‌دهد. این نسبیت پیش‌بینی می‌کند که اگر جسمی با سرعتی فراتر از سرعت نور حرکت کند باید جرمی بی‌نهایت بزرگ داشته باشد. به‌همین دلیل سرعت نور تاکنون به‌عنوان یک نقطه‌ی نهایی شکست‌ناپذیر شناخته شده است. یک دهه قبل، گروهی از دانشمندان پالس‌هایی از سرعت مافوق نور را کشف کردند.

هرچند این کشف تنها یک اثر اپتیکی بود، این تردید را به وجود آورد که سرعت یک فوتون مجزا به چند روش می‌تواند از سرعت نور بیشتر شود. نتایج این بررسی‌ها نشان داد که حتی یک فوتون مجزا که واحد پایه‌ی نور است همانند سرعت فاز، امواج الکترومغناطیس محدود به سرعت نور است. بر اساس نظریه‌ی نسبیت انیشتین، در سرعت فراتر از سرعت نور، جسم فرضی هم در حالت سکون و هم در حالت شتاب، تنها می‌تواند دارای یک جرم مجازی باشد. این جسم می‌تواند در فضایی حرکت کند که هنوز وجود ندارد. در حقیقت قادر است در یک فضای منفی و در یک زمان وارونه، حرکت کند و توالی زمانی‌اش از آینده به گذشته برود. به همین دلیل، بسیاری از دانشمندان معتقدند در صورتی که به سرعتی فراتر از سرعت نور برسیم، می‌توانیم با جهتی منفی در زمان حرکت کنیم. 

دانشمندان تخمین می‌زنند که نوترینوها می‌توانند از قطعه‌ای از سرب به قطر ۱۰ تریلیون کیلومتر (سال نوری) عبور کنند بدون اینکه به یک اتم آن برخورد کنند. با این حال، این ذرات همه جا هستند؛ هرچند از وجودشان آگاه نیستیم اما میلیاردها عدد از این ذرات، هر ثانیه از بدن ما رد می‌شود. مسئله‌ی نوترینوی خورشیدی از اینجا منشا می‌گیرد که مقادیر نوترینوی رصد شده در خورشید، یک سوم مقداری بود که ما انتظارش را داشتیم. به همین دلیل یا درک ما از همجوشی هسته‌­ای ناقص است و یا مسئله‌ی­ مرموزی در مورد نوترینوها وجود داشت که ما از آن بی­ خبر بودیم. تقریبا همزمان با شروع رصد میزان نوترینوی خورشید، محققان کشف کردند که الکترون دو ذره‌ی خواهر با نام­‌های میون و تاو دارد که هر کدام یک پادذره‌ی نوترینو دارند.از کلیدی‌ترین فرآیندهایی که منجر به تولید انرژی عظیم ستارگان می‌شود، واکنش «واکنش زنجیره‌ای پروتون ـ پروتون» است.

به دام انداختن نوترینو‌ها بسیار مشکل است، در هر ثانیه میلیارد‌ها نوترینو از بدن ما عبور می‌کنند

این واکنش با شرکت چهار اتم هیدروژن آغاز می‌شود و به تولید یک اتم هلیوم و دو اتم هیدروژن می‌انجامد. گام اول از این واکنش چندمرحله‌ای، ترکیب دو هسته‌ی هیدروژن (یا دو پروتون) با یک هسته‌ی دوتریوم (متشکل از یک پروتون و یک نوترون)، که با تولید یک پوزیترون و یک نوترینو همراه است؛ پوزیترون، ذره‌ای هم‌جرم با الکترون اما با بار مثبت است. براساس مدل‌سازی‌های اخترشناسان از ساختار درونی خورشید، میزان شار دریافتی از نوترینوهای خورشیدی در زمین باید معادل هفتاد میلیارد نوترینو در هر ثانیه از هر سانتیمتر مربع، باشد. در اواخر دهه‌ی ۱۹۶۰ فیزیک‌دانان آمریکایی، ریموند دیویس و جان باکال، آشکارساز بزرگی را برای سنجش شار نوترینوهای دریافتی از خورشید، ساختند.

این آشکارساز، دارای ۳۷۸ هزار لیتر ترکیب تتراکلرواتیلن بود که در عمق ۱۴۷۸ متری زمین، در معدن طلای هومستیک واقع در ایالت داکوتای شمالی، مستقر شده بودند. دلیل استقرار آشکارساز در عمق زمین این بود که تاثیر پرتوهای مزاحم کیهانی و سایر نویزهای پس‌زمینه به حداقل برسد. وقوع ابرنواختر سال ۱۹۸۷، از آن جهت اهمیت داشت که فیزیک‌دانان برای نخستین بار شاهد گسیل ناگهانی نوترینوهای کیهانی از سمتی به غیر از سمت خورشید بودند؛ به‌طوری‌که اندازه‌گیری دقیق لحظه‌ی برخورد نوترینوهای دریافتی از آن جهت، ممکن بود.

مقاله‌های مرتبط:

• اندازه‌گیری‌های سرن و احتمال وجود یک حالت جدید از فیزیک نوین
• ۱۰ راز حل نشده‌ی بزرگ علم فیزیک

اما عجیب‌تر این بود که ناهمخوانی بسیار ناچیزی بین زمان دریافت نوترینوهای گسیلی از آن ابرنواختر در آشکارساز سوپرکامیوکانده‌ی ژاپن، و آشکارساز نوترینویی (IMB) در معدن فیرپورت اوهایو، تشخیص داده شد. هرچند که شار نوترینوهای دریافتی از این ابرنواختر به حدی نبود که بتوان نتیجه‌ای قطعی از این ناهمزمانی گرفت، اما بهترین توضیحی که می‌شد برای آن مطرح کرد، جرم‌دار بودن نوترینوها بود. از برخورد پرتوهای کیهانی با مولکول‌های جو فوقانی زمین، میون‌ نوترینوها تولید می‌شدند. محققان آشکارساز کامیوکانده‌ی ژاپن متوجه شدند که شار دریافتی از نوترینوهایی که دقیقا از بالای آشکارساز وارد می‌شدند، بیشتر از متوسط شار نوترینوهای دریافتی از سایر جهات است.

این می‌توانست نشانه‌ای دال بر تبدیل میون‌ نوترینوها به نوعی دیگر باشد؛ زیرا در طول مسافت نسبتا کم جو فوقانی زمین تا سطح آشکارساز، میون‌ نوترینوهای تولیدشده در جو هم، فرصت کمتری برای دگردیسی دارند، و لذا آشکارساز کامیوکانده، که تنها به میون‌ نوترینوها حساس است، مقادیر بیشتری میون‌ نوترینو را از سمت جو زمین دریافت می‌کند. سه سال بعد، شواهد مستقلی مبنی‌بر وقوع دگردیسی نوترینوها در مشاهدات آشکارساز سادبری کانادا (SNO) هم به دست آمد. این آشکارساز قادر به تمایز الکترون‌ نوترینوها از میون‌ نوترینوها و تاو نوترینوها است. همچنین مشاهد‌ه‌های خورشید نشان می‌داد که حدود ۳۵ درصد از نوترینوهای خورشیدی از نوع الکترون‌ نوترینو هستند، و سایر آنها از دو نوع دیگر هستند.

آشکارسازهای نوترینو نمی‌توانستند نوترینوی الکترون را رصد کنند در نتیجه اگر خورشید میزان نوترینوی محاسبه شده را در سه نوع مختلف تولید می­‌کرد، راز این مسئله حل شده بود اما خورشید نمی‌توانست هر سه نوع نوترینو را تولید کند؛ زیرا واکنش ‌های همجوشی در خورشید، تنها نوترینوی الکترون را تولید می­‌کنند. تنها جواب معقول برای این مسئله، تبدیل نوترینوی الکترون به دیگر انواع آن بود اما براساس نظریه‌ی­ استاندارد فیزیک ذرات، نوترینوها بدون جرم هستند. این ذرات با سرعت نور در حال حرکت­‌اند و ممکن نیست که بتوانند به انواع دیگر نوترینوها تبدیل شوند. البته اگر نوترینوها جرم داشتند امکان تغییر نوع در آنها وجود داشت. اما مشخص شد که جرم نوترینو با جرمی که ما با آن روبه‌رو هستیم، مشابه نیست.

در نظریه‌ی استاندارد ذرات، نوترینوها توسط نیروی الکتروضعیف کنترل می­‌شوند که این نیرو، واحدسازی نیروی الکترومغناطیسی بارها، مغناطیس و نیروی هسته‌­ای ضعیف است. نظریه‌ی الکتروضعیف یک نظریه‌ی کوانتومی است پس اصل عدم قطعیت نیز در این میان وجود دارد. بنابراین، شما می­‌توانید جرم و یا نوع یک نوترینو را محاسبه کنید و نه هر دو را. در واقع ما نمی‌­توانیم بگوییم نوع خاصی از الکترون، دارای جرم خاصی است. به دلیل وجود سردرگمی کوانتومی میان جرم و نوع الکترون، ما همواره محدودیت دانستن هم‌زمان هر دوی آنها را داریم. طبق نظریه‌ی ذرات، سه نوع جرم و سه نوع نوترینو وجود دارد. چیزی که یک نوترینوی الکترون را از یک نوترینوی میون متفاوت می‌کند، ترکیب کوانتومی سه جرم مختلف آن است. 

نوترینو، یکی از فراوان‌ترین ذرات جهان است و بیش از ۹۹ درصد انرژی انفجارهای کیهانی را حمل می‌کند

پس چطور نوترینوهایی با جرم مبهم کوانتومی می‌تواند مسئله­ نوترینوی خورشیدی را حل کند؟ بررسی‌ها نشان می‌دهد که هر حالت ­ویژه‌ی جرم، سرعت متفاوتی دارد. در نظریه‌ی کوانتوم، هر حالت جرمی طول موج متفاوتی دارد پس با تغییر این حالت­­‌ها، تداخل در موج­‌های آنها ایجاد می­‌شود. این پدیده را نوسان نوترینو، می­‌نامند. بنابراین، با حرکت یک نوترینوی الکترون در کیهان، این نوترینو بین حالات مختلف نوسان می­‌کند و شانس رصد این الکترون به شکل میون یا تاو بیشتر و کمتر می­‌شود. هر ثانیه حرکات اتمی بسیار زیادی توسط ما انجام می‌شود اما این ذرات تحت تاثیر ما قرار نمی‌گیرند زیرا نوترینوها تنها با اجزای دیگر و از طریق نیروی هسته‌ای بسیار ضعیف ارتباط برقرار می‌کنند. این به معنای آن است که نوترینوها باید به حدی به اجزای دیگر نزدیک باشند که بتوانند هسته‌ی آنها را لمس کنند و تنها در این زمان است که نیروی هسته‌ای ضعیف، می‌تواند بر روی آنها تاثیر بگذارد.

همین امر نیز موجب می‌شود تا تشخیص نوترینوها به صورت عجیبی سخت باشد و به همین دلیل نیز فیزیک‌دانان آزمایش‌های مربوط به نوترینو را در درون زمین انجام می‌دهند زیرا بهتر است تا از تداخل عواملی مانند تابش پرتوهای کیهانی به زمین، دوری کنند. اخیرا انجام آزمایشاتی عجیب، باعث شد تا دانشمندان به وجود نوترینوی چهارمی به نام «نوترینوی استریل» پی ببرند که هیچ تعاملی با اجزای دیگر ندارد ولی می‌تواند با نوترینوهای دیگر تداخل ایجاد کند. چنین پدیده‌ای را می‌توان بسیار بزرگ به حساب آورد؛ زیرا وجود آن می‌تواند از رازهایی مانند دلیل جرم داشتن نوترینوها، طبیعت ماده‌ی تاریک، دلیل وجود ماده‌‌های بیشتر نسبت به پادماده در اوایل پدید آمدن جهان پرده بردارد.

مقاله‌های مرتبط:

• دانشمندان گامی دیگر به یافتن ماده تاریک نزدیک شدند
• ثبت تصویری از ماده تاریک بین کهکشان ها برای اولین بار

یک گروه تحقیقاتی آرایه‌ای از ۵ هزار و ۱۶۰ موج‌یاب را در درون یخ‌‌های قطب جنوب قرار دادند. این موج‌یاب‌ها برای شناسایی نوترینوهای که توسط برخورد اشعه‌های کیهانی در جو فوقانی زمین تشکیل می‌شوند، بسیار ایده آل هستند. خود زمین هم تمامی نویزهای اشعه‌های کیهانی و دیگر اجزا را پالایش می‌کند و تنها نوترینوها می‌توانند از آن عبور کنند. هر از گاهی، یک نوترینو با یک هسته‌ی برخورد می‌کند و یک میون تشکیل می‌شود. وقتی این امر به وقوع می پیوندد از خود نوری آبی ساتع می‌کند که شبیه به یک انفجار صوتی خواهد بود. نظریه‌پردازان بر اساس مشاهده‌های اولیه‌ی خود از وجود نوترینوی استریل خبر دادند که سیگنال‌های آن تنها در درون محدوه‌ی انرژی خاصی به نمایش در می‌آمدند. با این حال هیچ نشانی از وجود این نوترینو در تمامی اطلاعات ثبت شده و آزمایش‌های جدید به دست نیامده است. 

دانشمندان خیلی صبر کرده‌اند اما ظاهرا صبر آنها به ثمر نشسته است و به نظر می‌رسد که نوترینو در درک بسیاری از معماهای فیزیک مدرن نقش کاملا حیاتی دارد؛ مثلا چرا کیهان عمدتا از ماده تشکیل شده است؟ آکادمی علمی سلطنتی سوئد، جایزه‌ی نوبل فیزیک ۲۰۱۵ را به تاکاکی کاجیتا (Takaaki Kajita) و آرتور بی مک دونالد (Arthur B. McDonald)، برای کشف ارتعاشات نوترینو اهدا کرد. نوترینوها از نظر فراوانی در کائنات، پس از فوتون‌ها، در مقام دوم قرار دارند. این ذرات در واکنش‌‌های هسته‌‌ای، مثلا در خورشید و ستاره‌ها، ایجاد می‌شوند. آنها بسیار اندک با محیط پیرامونشان برهمکنش می‌کنند، مثلا آنها می‌توانند بدون اینکه متوقف شوند از درون زمین رد شوند. هر لحظه هزاران نوترینو در حال عبور از بدن شما هستند. یک نوترینوی میون می‌تواند تبدیل به یک نوترینوی تاو شود. در واقع آنها ارتعاش می کنند. این مشاهدات توسط دو گروه تحقیقاتی، یکی در ژاپن و دیگری در کانادا انجام شد.

این کشف، ثابت می‌کند که نوترینوها که تا قبل از این تصور می‌شد، جرمی ندارند، دارای جرم اندکی هستند. از آنجایی که نوترینوها یکی از فراوان‌ترین ذرات عالم هستند، قطعا دید ما را نسبت به هستی تغییر می‌‌دهد. مدل استاندارد فیزیک در مورد درونی‌ترین عملکرد ماده بسیار موفق نشان داده و در برابر همه چالش‌های تجربی برای بیش از دو دهه مقاومت کرده بود. اما بر اساس این مدل، نوترینوها فاقد جرم هستند، رصدهای جدید به‌طور واضحی نشان داد که مدل استاندارد نمی‌تواند نظریه‌ی کاملی در مورد اجزای بنیادین جهان ارائه کند. کشفی که برنده‌ی جایزه نوبل فیزیک امسال شد، بینش‌های مهمی را در مورد همه نوترینوهای جهان، اعم از پنهان و آشکار ارائه کرده است.

پس از فوتون‌ها یا همان ذرات نور، نوترینو‌ها بیشترین تعداد ماده را در کل کیهان به‌ خود اختصاص داده‌اند؛ زمین به‌طور مداوم توسط آن‌ها بمباران می‌شود. بسیاری از نوترینوها در واکنش بین تابش کیهانی و جو زمین ایجاد می‌شوند. سایر آن‌ها در اثر واکنش‌های هسته‌ای درون خورشید تولید می‌شوند. هزاران میلیارد نوترینو در هر ثانیه از درون بدن ما عبور می‌کنند و تقریبا چیزی نمی‌تواند جلوی عبور آن‌ها را بگیرد. نوترینوها دست‌نیافتنی‌ترین ذرات بنیادی طبیعت هستند. اکنون آزمایشات ادامه داشته و کارهای زیادی در سراسر جهان برای شکار نوترینوها و بررسی ویژگی‌های آن‌ها در حال انجام است.