نوسانات نوترینو و نوبل ۲۰۱۵: چالشی بزرگ برای فیزیک ذرات بنیادی و کیهانشناسی

اولین بار فیزیکدان بزرگ نظری اتریشی ولفگانگ پاؤلی (Wolfgang Pauli) در اوایل قرن بیستم دهه‌ی ۳۰ با استفاده از یک قانون همه در فیزیک به‌نام مقال تکانه (اندازه حرکت) انرژی، و اندازه حرکت زاویه کوانتمی (اسپین) در یک واپاشی [بتا] حدس زد که ذره‌ای خنثی که در ان زمان نوترون فرض کرده بود وجود دارد. نوترون که از پروتون و الکترون تشکیل شده، بار الکتریکی خنثی دارد. نوترون را ریچارد چادویک کشف کرد که به اشتباه جایزه‌ی نوبل شیمی به وی داده شد! از جایی که این نام تکراری بود، نوترونی که پاؤلی انتخاب کرده بود، توسط انریکو فرمی (Enrico Fermi)، دیگر فیزیکدان نابغه‌ی قرن بیستم به نوترینو تغییر نام داد. نوترینو در زبان ایتالیایی به معنای «خنثای کوچک» است. ولی این نام در محاوره‌ای بین فرمی و ادوارد آمالدی (Edoardo Amaldi) به ذهن فرمی رسید. به شوخی از این نام در کنفرانس معروف سلوی به سال ۱۹۳۳/۱۳۱۲ استفاده کرد که مانند انفجار بزرگ از جمله نام‌هایی است که به شوخی و یا طعنه به یکی از مهمترین کشف‌های بشر در طبیعت اتلاق شد. واپاشی که پاؤلی نوترینو کشف کرد و تا زمانی کشفش جدی گرفته نشد، نوترون بود که به یک پروتون، نوترون و یک ذره‌ی ناشناس واپاشیده می‌شد، که بعداً مشخص شد، پادنوترینوی الکترون است.

در سال ۱۹۳۴/۱۳۱۳ بوهر (Niels Bohr) به اشتباه برآن بود که بقای انرژی برقرار نیست و در کنفرانس سلوی همان سال اولین واپاشی بتا گزارش شد. از جایی که در طیف انرژی بسیار محدودی آزمایش انجام شده بود، آشکار‌سازی نشد ولی پأولی بر ایده‌ی خود پافشاری کرد. سرانجام در سال ۱۹۴۲/۱۳۲۱ وانگ گانهانگ (Wang Ganhang)، ایده‌ی آشکاری مستقل نوترینو را آزمایش مطرح می‌کند. در ۲۶جولای/۴ مرداد، ۱۹۵۶/۱۳۳۵، یک تیم به سرپرستی کلاید کووان (Clyde Cowan) گزارش کشف این ذره‌ی ناشناخته را می‌دهد، که طبق معمول، جایزه‌ی نوبل تقریباً ۴۰ سال بعد یعنی ۱۹۹۵/۱۳۷۴ به این تیم تعلق می‌گیرد!؟ اندرکنشی که توانستند از آن نوترینو را کشف کنند، پادنوترینویی بود که با پروتون برخورد می‌کرد و یک نوترون و پوزیترون می‌داد. این اندرکنش در واپاشی معروف به بتا دیده شد. داستان از این قرار است که پوزیترون به الکترون برخورد می‌کند یا به عبارتی آن را می‌بیند، همدیگر را نابود می‌کند، پرتو گاما تولید می‌شود (نور) که کاملاً قبل آشکارسازی است. نوترون را می‌توان با همان پرتو گاما شناسایی کرد. در این آزمایش هم پرتو گاما دیده شد، هم پوزیترون و هم نوترون. در نتیجه ذره‌ی مرموز همان پادنوترینو بود.

ولی نوترینوها چه نوع ذراتی هستند؟

این ذرات که به کوچک‌ترین ذرات پُر انرژی معروف هستند در مدل استاندارد ذرات بنیادی که تمامی نیروها و میدان‌ها و اندرکنش‌ها درست مانند آجر سازنده‌ی یک بنا در یک مُدل نظری می‌توانند جای گیرند. گرانش تنها نیرویی است که در این مدل جایی برای خود دست و پا نکرده. البته اگر گرانش در مدل جای گیرد، باید ذره‌ای به نام گرتون ه داشته باشد. این یکی از شرط‌هایی است که مُدل استاندارد برای گران گذاشتند.

معرفی خانواده نوترینوها
در مُدل استاندارد ذرات نوترینوها بدون جرم درنظر گرفته شوند تا کمی بیش از یک دوره قبل بدون جرم درنظر گرفته می‌شوند. از حدود ۱۵ سال پیش مسأله جرم‌دار بودن نوترینوها که یک خانواده هستند، جدی‌تر گرفته شده.

مدل استاندارد کنونی شانسی برای نوترینو‌های جرم‌دار قائل نیست. در واقع جرم‌دار بودن این ذرات چالش بزرگی برای مدل درست می‌کرد. و این اتفاق افتاد! در دوران طلایی فیزیک نظری که بین دهه‌ی ۳۰ تا اواخر ۶۰ میلادی بود، حتی ایده‌ی جرم مطرح شده بود. برونو پونتکروفو (Brono Pontecrovo)، آن را مطرح می‌کند. شرط مدل استاندارد برآن بود که مکانیسم نظری به نام دیراک (دیگر نابغه‌ی قرن بیستم) باید برقرار بشد. یعنی فرمولی که اصطلاحاً «راستگرد» نامیده می‌شود، می‌تواند، نوترینوها را در خود جای دهد. بعداً مایورانا (Ettore Majorana) فیزیکدان ایتالیایی ایده‌ی جالب دیگری مطرح کرد. شاید نوترینوها و پاد نوترینوها هر دو یکی باشند. ویژگی که فوتون یا همان ذرات نور دارند. اگر این واقعاً نوترینوها و پادنوترینوها یکی باشند آن وقت است که جرم می‌تواند تولید شود. هنوز بحث برسر درستی یکی از این دو مُدل داغ است و مشکلاتی است، حل نشده.

نوترینوها خانواده‌ای شش‌تایی هستند. نوترینوی الکترون، نوترینوی لیون و نوترینوی تاؤ و پادنوترینوهای آن‌ها‌. نوترینوها در انرژی‌های بالا تولید می‌شوند. بخش مهمی از نجوم، این سالها به نوترونیوها وابسته است. در گستره‌ی نیروی هسته‌ای ضعیف بین پروتون‌ها و الکترون‌ها، هستند. میدان مغناطیس بر آن‌ها تاثیری ندارد. در این لحظه که این مطلب را می‌خوانید میلیون‌ها نوترینو از بدن شما عبور می‌کند و اندرکنش با بدن شما و اجسام دیگر ندارند. گرانش نیروی ضعیف بر آن‌ها تأثیر می‌گذارد. بار الکتریکی ندارند. نیروی هسته‌ای قوی روی آن‌ها تأثیری ندارد.

واپاشی‌های رادیواکتیو در واکنش‌های هسته‌ای جاهایی مانند خورشید و دیگر ستارگان، رآکتورها و همینطور پرتوهای کیهانی که با اتم‌ها برخورد می‌کنند، و نیز اَبَرنواختر‌ها. آنچه ما در زمین می‌توانیم دریافت کنیم بیشتر از ترکیب‌ترین ستاره به زمین یعنی خورشید می‌آید. حدود ۶۵ میلیارد نوترینوی خورشیدی در ثانیه در هر سانتی متر مربع از زمین عبور می‌کند.

نوترینوها در طول مسیر خود ممکن است طعم نوسان کنند ولی معنای نوسان چیست؟
نوترینوها در طول مسیر به گونه‌های دیگری که نام بُردیم تبدیل می‌شوند. ولی این پدیده یک شرط هم می‌گذارد! نوترینوها جرم یکسانی ندارند، بلکه از نوعی به نوع دیگر چرخشان تفاوت دارد. آشکار سازی نوترینوها با توضیعی که داریم بسیار دشوار است ولی غیر ممکن نیست از اندازه‌گیری‌های کیهانشناسی برآورد بران بوده که جرم سه نوع نوترینو از یک میلیونُم جرم الکترون کمتر است.

نوترینوها به گونه‌های دیگری هم دسته‌بندی می‌شوند که برای برخی محاسبات یا مشخص شدن منابع انها مفید است: نوتینو‌های خورشیدی ابرنواخترها، انفجار بزرگ، زمینی، جو، و بقای ابرنواخترها، شتابدهنده‌ها، بمب‌های هسته‌ای سرعت آن‌ها معمولاً برابر سرعت نور است. ولی نسبت خاص برآن است که در صورت جرمدار بودن آلفا، به سرعت نور نخواهد رسید. ولی نظریه‌هایی نیز در شاخه‌ای نظری به نام گرانش کوانتمی وجود دارد که سرعت بالاتر از نور را هم کجاز می‌دارند. به همین دلیل یک مدل تعمیم یافته یا عمومی‌تر از مدل استاندارد ذرات نیز نوشته شده که آنهم همچنان سوألِ باز است ک فیزیکدانان روی آن به شیوه‌های مختلف نظری و ایده‌های متفاوت کار می‌کنند.

در اوایل دهه‌ی ۸۰ میلادی از باریکه‌های پیون ( ذره‌ای که از دو کوارک تشکیل شده) که واپاشیده می‌شوند، نوترینو مشاهده شد.
در سال ۱۹۸۷ نوترینویی مشابه از یک ابرنواختر کشف شد که نامش برای اختر فیزیکدانان ماندگار بود (۱۹۸۷A). در سال ۲۰۱۱ پروژهای به نام OPERA باریکه‌ای از شمال ایتالیا آزمایشگاه گران ساسو (Gran Sasso) به Cern فرستاد که ابتدا اعلام شد سرعتی بیش از نور دارد. ولی سال بعد ادعا شد، اشتباه بود و امکان خطای اندازه‌گیری بسیار بالاست. در نهایت Cern به قائله خاتمه داد و سرعت بر نوترینو را برابر نور اعلام کرد.

نوترینوی تاو (Tau) برای اولین با در OPERA دیده شد. تیم دیگری در رصدخانه‌‌ی مدارگرد پلانک (Plank) و همینطور ۳D –Mega z DR7 جرم نوترینو را اندازه گرفتند. نتیجه حدود ۱۰^۹×۰.۴۴۸۵۶ ژول بود. رصدخانه‌ی پلانک تابش زمینه‌ی کیهانی را اندازه می‌گیرد و از نقشه‌ی که از آن تهیه می‌شود، ویژگی‌های مختلف فیزیکی عالم پس از انفجار بزرگ مشخص خواهد شد. در مشاهدات این رصدخانه حتی عدسی‌های گرانش کشف شد که شاید نوترینوهای بدون جرم مسبب‌شان باشند.

اگر نوترینوها از نوع مایورانا باشند، پس نیمه عمر واپاشی دوگانه بتای بدون نوترینو، باید در هسته پیدا شود و جرم‌ش از این واپاشی قابل اندازه‌گیری است. در سال ۲۰۱۵ جرم مایورانای نوترینوی دیده شده ۰.۲۵ تا ۰.۱۲ الکترون ولت اندازه گرفته شد. جایزه نوبل ۲۰۱۵ به کشف تجربی نوسان نوترینو داده شد که خود نشان از جرم نوترینو دارد.

آشکارسازی

نوترینوها را نمی‌توان مستقیم آشکار‌سازی کرد. بنابراین تنها راه‌کار، عبور آن‌ها از موادی است که بتوان اثرشان را ثبت کند. معروف‌ترین آشکارساز نوترینو در ژاپن واقع شده که زیرِ کوه «ایکنو‌» (Ikeno) نزدیک هایدا یک مخزن بزرک اب سنگین با استوانه‌ای به قطر ۳۹ متر و ارتفاع ۴۲ متر ساخته شده است. وقتی نوترینوهای بیرون از جو وارد این مخزن می‌شوند در صورتی که با اتم‌های آب سنگین اندرکنشی داشته باشند درست مانند سنگی که در آب انداخته می‌شود، اثری معروف چرونوکوف در آب ایجاد می‌کند. آشکارسازی‌هایی که در شکل نیز می‌بینید، به ایجاد اثر با انرژی برخوردی نوترینوها حساس هستند و در بین آشکارساز معدن و فعال به نام Ice Cube نقش یک تلسکوپ نوترینو را بازی می‌کند.

۸۶ اِلِمان که آشکارسازیهایی در فاصله‌های معین به آن‌ها نصب شده، به عمق ۱۴۵۰ تا ۲۴۵۰ متر زی دریا در قطب جنوب (شکل) کار گذاشته شده. نتیجه‌ی خیره کننده آن مشاهده‌ی ۲۸ نوترینوی اخترفیزیکی بیرون از منظومه‌ی شمسی در سال ۲۰۱۳ نوترینو راز سر به مُهر کیهان، کلید معماهای بزرگ فیزیک در کیهانشناسی اندازه‌گیری‌هایی انجام شده که میزان جرم عالم مشاهده‌پذیر را نشان می‌دهند.

هرچند این اندازه‌گیری‌ها دائماً در حال تغییر هستند، ولی آخرین اعداد نشان می‌دهند که حدود ۴.۹ درصد جرم عالم از ماده‌ای است که ما می‌توانیم اندازه بگیریم. %۲۶.۸ باید ماده‌ای باشد که هنوز به خوبی آن را نشناخته‌ایم و فیزیکدانان آن را «ماده تاریک» می‌نامند. ولی بسیاری دیگر هستند که این فرضیه را قبول ندارند و اعتقاد دارند با تعمیم مدل‌های فیزیکی – ریاضیاتی می‌توانیم جرم گمشده را نیز اندازه بگیریم. بقیه‌‌ی ماجرای گمشده‌ها، در واقع چیزی نیست جز انرژی که به انرژی تاریک معروف شده و سهم آن تاکنون %۶۸.۳ است و سبب تّورم عالم و و دینامیک یا حرکت‌های جنبش در عالم است.

نوترینوهای سنگین و فوق سنگین دیگر فرضیه‌هایی هستند که برای درست کردن مدل استاندارد ذرات یا تعمیم آن در کنار جنگلی از مدل‌های دیگر نظری مورد پژوهش قرار می‌گیرند.

ولی آیا نوترینو مسئول جِرم گمشده است؟
نوترینو‌ها این ذرات خنثی و نامحسوس چه اثراتی در عالم می‌توانند داشته باشند؟ هنوز دقیق نمی‌دانیم.
آیا مدل استاندارد تعمیم‌یافته‌ی ذرات می‌تواند نوترینو‌های جرمدار را بدون مشکل در خود جای دهد؟
کدام مدل مکانیسم می‌تواند برای نوترینوها درست باشد؟ نوترینو – پادنوترینو یکسان یا مدل دیراک؟
اگر مدل دیراک درست باشد، پس جرم و مسأله‌ی چپگرد و راستگرد برای اسپین آن‌ها می‌تواند درست باشد؟

در پایان می‌توانید به این مساله هم کمی فکر کنید: در کنار معماهای فیزیک نوترینو به عنوان یک ذره‌ی پُر انرژی در عالم، حدود چند میلیارد نوترینو از بدن شما روزانه رد می‌شود، اندرکنش خاصی با شما ندارد! پس چطور ممکن است همین ذرات پُرانرژی که آشکارسازی آن‌ها تا این حد دشوار است که ما را به روش‌های غیرمستقیم مشاهده‌ی واداشته، نقشی چنان عظیم در عالم داشته باشد؟ و در اصل با توجه به مطالب بالا، چه نقش‌هایی می‌تواند در کنار نوسان خود، درست مانند نقش عوض کردن بازیگران داشته باشد؟

فرهاد ذکاوت

منابع مفید:

کتاب:

برای حرفه‌ای‌ها:

۱. Particle Physics, David Griffith, 2008, WILEY

۲. High Energy Physics, Donald H. Perkins, 2000, Cambridge University Press

۳. Quarks and Leptons, Francis Halzen, Alan D. Martin

۴. Nuclear and Particle Physics, Biran Martin, 2011, Cambridge University Press

۵. Experimental Particle Physics, Robert N. Cahn, 2009, Cambridge University Press

۶. The Early Universe, Gerhard Borner, Springer, 2005

۷. مقدمه‌ای بر کیهانشناسی نوین، اندرو لیدل، ترجمه‌ی کامبیز خالقی، فرهاد ذکاوت، نشر باشگاه دانش پژوهان جوان، ۱۳۹۳، چاپ دوم ویرایش دوم

برای تمام علاقه‌مندان: