نوبل فیزیک ۲۰۱۵ برای نوترینوها

0 0 0 0

توسط اُسطرلاب , 12 اکتبر 2015

جایزه‌ی نوبل فیزیک امسال را نوترینوها از آنِ خود کردند. این برای چهارمین بار است که نوترینوها به طور مستقیم یا غیرمستقیم، جایزه‌ی نوبل را به خود اختصاص می‌دهند (۱۹۸۸، ۱۹۹۵، ۲۰۰۲ و ۲۰۱۵). اما چرا نوترینوها تا این اندازه مهمند؟

نوترینوها جزوی از ذرات بنیادی هستند که به نظر می‌آید به اجزای کوچک‌تر قابل قسمت نیستند. این ذرات دو ویژگی خاص دارند که آن‌ها را از ذرات دیگر متمایز می‌کند: جرم بسیار کم و برهم‌کنش بسیار ضعیف. علت این‌که چرا نوترینوها جرم بسیار کمی دارند (یا اغلب گفته می‌شود «تقریبا» بدون جرمند) مشخص نیست. اما علت این‌که آن‌ها برهم‌کنش بسیار ضعیفی با مواد دیگر دارند مشخص است: آن‌ها دو نیرو از چهار نیروی بنیادی یعنی نیروی الکترومغناطیسی و هسته‌ای قوی را حس نمی‌کنند و تنها با نیروی هسته‌ای ضعیف و گرانش (که به علت جرم خیلی کمشان، بسیار کم است) واکنش می‌دهند.

ما در دنیایی از نوترینوها زندگی می‌کنیم. هزاران میلیارد نوترینو در هر لحظه از درون بدن ما عبور می‌کند. اما شما آن‌ها را نمی‌بینید و حسشان نمی‌کنید. این نوترینوها از کجا می‌آیند؟! بخشی از آن‌ها در مهبانگ پدید آمده‌اند و بخشی نیز در بسیاری از پدیده‌های اخترفیزیکی مانند انفجار ابرنواخترها، مرگ ستاره‌های پرجرم، نیروگاه‌های هسته‌ای و فروپاشی‌های رادیواکتیو طبیعی، در حال به‌وجودآمدن هستند. حتی در داخل بدن ما در هر لحظه و با هر باری که یک ایزوتوپ پتاسیوم فروپاشی می‌کند حدود پنج‌هزار نوترینو تولید می‌شود! بخش زیادی از نوترینوهایی که به زمین می‌رسد از مرکز خورشید نشات می‌گیرند.

تصویر ۱: نوترینو با سه ماهیت: نوترینوی تاو، الکترون، یا میون؟!

پس از ذرات نور یا همان فوتون‌ها، نوترینوها فراوان‌ترین ذرات عالم هستند. اما با این حال تا مدت‌ها حتی وجود آن‌ها به قطعیت شناخته نشده بود. در واقع زمانی که اولین بار وولفگانگ پاولی اتریشی (برنده‌ی نوبل ۱۹۴۵) وجود این ذرات را پیشنهاد کرد، تلاشی بود از سر ناچاری برای توضیح قانون بقای انرژی در فرآیند فروپاشی بتا^(۱). کمی پس از آن اِنریکو فِرْمی ایتالیایی (برنده‌ی نوبل ۱۹۳۸) این ذره‌ی کم‌جرم و خنثی را، به نام نوترینو، در نظریه‌اش مطرح کرد. پس از آن یک ربع قرن طول کشید تا این ذره کشف شد. در سال‌های ۱۹۵۰ میلادی بود که مقادیر بسیار زیادی نوترینو در نیروگاه‌های هسته‌ای تولید شد. در سال ۱۹۵۶، فردریک راینِس آمریکایی (برنده‌ی نوبل ۱۹۹۵) به همراه کلاید کوان با فرستادن تلگرافی به پاولی اعلام کردند که نوترینوها در آشکارسازهایشان رد پا به جا گذاشته‌اند! این رویداد اکتشاف ذره‌ی نوترینو بود.

جایزه‌ی نوبل امسال به اکتشافی داده شد که منجر به حل معمای قدیمی نوترینوها شده است. از دهه‌ی ۱۹۶۰ دانشمندان تعداد نوترینوهایی را که در مرکز خورشید تولید می‌شوند محاسبه می‌کردند؛ اما زمانی که تعداد نوترینوهای آشکارشده در زمین را اندازه‌ می‌گرفتند، حدود دو سوم کمتر از میزان محاسبه شده بود. این نوترینوهای گم شده کجا رفته بودند؟ حدس اول این بود که شاید نظریه‌های تولید نوترینو در مرکز خورشید اشتباه هستند. حدس دیگر این بود که شاید نوترینوها ماهیتشان را تغییر می‌دهند.

در مدل استاندارد فیزیک ذرات، نوترینوها به صورت زوج به همراه دسته‌ای از ذرات با عنوان لپتون‌ها طبقه‌بندی می‌شوند. لپتون‌ها از شش ذره تشکیل شده‌اند که (به همراه کوارک‌ها) ساختار بنیادی ماده را تشکیل می‌دهند. سه تا از این ذرات، الکترون‌، میون و تاو هستند که هر کدام با یک نوترینو جفت می‌شوند. این نوترینوها با اسامی نوترینوی الکترون، نوترینوی میون و نوترینوی تاو خوانده می‌شوند. به انواع این ذرات به اصطلاح «طعم» گفته می‌شود.

تصویر ۲: رصدخانه‌ی نوترینوی Sudbury در کانادا

این سه طعم نوترینو بسیار به یکدیگر شبیهند و طبق نظریه‌های فیزیک ذرات می‌توانند از یک طعم به طعم دیگر تبدیل شوند. به این تبدیل «نوسان نوترینو» گفته می‌شود. نوسان نوترینوها درصورتی می‌تواند رخ دهد که (۱) نوترینوها جرم داشته باشند، (۲) جرم آن‌ها متفاوت باشد، و (۳) نوترینوهای با طعم مشخص، ترکیبات کوانتومی از نوترینوهای با جرم معین باشند که به «زاویه‌ی اختلاط» معروف است (برای آن‌ها که با دنیای کوانتوم بیشتر آشنایند: می‌توان گفت که وقتی نوترینو با بردارویژه‌ی «طعم» خود مشاهده می‌شود، با حالت کوانتومی اولیه‌ی خود متفاوت است. این درواقع به علت اختلاط بردارویژه‌های «جرم»اش است.)

حدس‌ها درباره‌ی تغییر ماهیت نوترینوها تنها محدود به گمانه‌زنی‌ بود تا آنکه تسهیلات بزرگتر و پیشرفته‌تری به کار آمدند. هر روز و هر شب نوترینوهای زیادی در آشکارسازهای عظیم زیر زمینی ثبت می‌شوند. آشکارسازها زیر زمین ساخته می‌شوند تا از تابش‌ کیهانی رسیده از فضا و همچنین فروپاشی‌های ناگهانی در محیط به دور باشند. اما با این حال هنوز جدا کردن چند سیگنال حقیقی مربوط به نوترینوها از میلیاردها سیگنال دیگر کار بسیار دشواری است. حتی هوای داخل معادن و مواد آشکارساز هم ذراتی تولید می‌کنند که مزاحم اندازه‌گیری‌ها می‌شود.

در سال ۱۹۹۶، آزمایشگاه Super-Kamiokande در یک معدن روی در شمال غربی توکیو شروع به کار کرد. این آزمایشگاه، آشکارساز غول‌پیکری است که در عمق ۱۰۰۰ متری زیر زمین ساخته شده است و منبع آبی به طول و ارتفاع ۴۰ متر دارد که با ۵۰هزار تن آب پر شده است (تصویر بالای صفحه). آب داخل این منبع آنقدر خالص است که پرتو نور پیش از آنکه شدتش نصف شود در آن ۷۰ متر طی می‌کند؛ مقایسه کنید با آب معمولی یک استخر که پس از طی چند متر شدت نور در آن نصف می‌شود. بیش از ۱۱هزار آشکارساز نوری در بالا، پایین و کناره‌های این منبع قرار داده شده است که وظیفه‌ی کشف و اندازه‌گیری پرتوهای ضعیف نور را در این آب بسیار خالص دارند. در همان سال‌ها، رصدخانه‌ی نوترینوی Sudbury در یک معدن نیکل در آنتاریوی کانادا رصدهایش را در سال ۱۹۹۹ آغاز کرد. این رصدخانه نیز در عمق دو کیلومتری زیر زمین، با ۹۵۰۰ آشکارساز نوری و منبعی که با ۱۰۰۰ تن آب سنگین^(۲) پر شده است (تصویر ۲) نوترینوها را زیر نظر داشت. این دو با هم ماهیت دگرگون‌پذیری نوترینو را کشف کردند که امسال منجر به دریافت جایزه‌ی نوبل فیزیک شد.

در سال ۱۹۹۸، آزمایش Super-Kamiokande در ژاپن، برای اولین بار مشاهده کرد که نوترینوهای میون که در جو زمین تولید شده‌اند به نوع دیگری تغییر کرده‌اند که امروزه می‌دانیم به نوترینوی تاو تغییر پیدا می‌کنند. برای آزمایش صحت این مشاهده از تفاوت نوترینوهایی که از پایین وارد رصدخانه می‌شدند و نوترینوهایی که از بالا مشاهده می‌شدند، استفاده می‌شود. نوترینوهایی که از پایین وارد می‌شوند درواقع، قطر زمین را طی کرده و سپس آشکار می‌شوند، در حالی‌که نوترینوهایی که از بالا می‌آیند، فقط از جو زمین عبور کرده‌اند. نوترینوهای پایین مسیر طولانی‌تری طی کرده‌اند و فرصت نوسان یا تغییر طعم را داشته‌اند.

در سال ۲۰۰۱ و ۲۰۰۲، رصدخانه‌ی Sudbury در کانادا اعلام کرد که نوترینوهای الکترون که در مرکز خورشید تولید می‌شوند نیز نوسان می‌کنند. آن‌ها نوترینوهای الکترونی را مشاهده کردند که ناپدید می‌شدند و سپس به نوع دیگر تبدیل می‌شدند. امروزه می‌دانیم که نوع دیگر آن‌ها، ترکیبی از نوترینوی میون و تاو است. محققان Sudbury بادقت شار نوترینوهای خورشیدی با طعم‌های مختلف را اندازه‌گیری کردند و نشان دادند که نوترینوهای خورشیدی در طی مسیرشان به زمین، طعم خود را تغییر می‌دهند.

هرکدام از این آزمایش‌ها، نوسانات نوترینو را در گونه‌های مختلف مشاهده کردند و به همین خاطر، نوبل ۲۰۱۵ به تکاکی کاجیتا از Super-Kamiokande و آرتور مک‌دانلد از Sudbury تعلق گرفت.

پس از آن، آزمایش‌ها بارها تکرار شده‌اند و پارامترهای مختلف نوسانات نوترینو توسط رصدخانه‌های مختلف دقیق‌تر و دقیق‌تر اندازه‌گیری می‌شوند. این نتایج به وضوح نشان دادند که نوترینوها جرم دارند و جرم‌ طعم‌های مختلف متفاوت است. جالب است که بدانید هنوز جرم دقیق نوترینوها مشخص نیست و آزمایش‌های دیگر نشان داده‌اند که جرم‌ نوترینوها تا میلیون‌ها برابر کم‌تر از جرم الکترون است.

آزمایشگاه‌ها و رصدخانه‌های بزرگی در دنیا برای رصد و مطالعه‌ی نوترینوها وجود دارند. برای مثال درباره‌ی رصدخانه‌ی IceCube که در حال حاضر بزرگترین رصدخانه‌ی نوترینوی زمین است، قبلا در اسطرلاب نوشته‌ایم (۱، ۲ و ۳).

دهه‌ی گذشته برای فیزیک و نجوم نوترینوها بسیار هیجان‌انگیز بوده است. خبر خوب این‌که هنوز وقایع هیجان‌انگیز بسیار زیادی از نوترینوها مانده که منتظر آن هستیم. برای مثال، دو سال پیش رصدخانه‌ی پرانرژی IceCube در قطب جنوب برای اولین بار نوترینوهای بسیار پرانرژی که منشا اخترفیزیکی دارند را کشف کرد و هم‌چنان این نوترینوها را رصد و محل فرود و ویژگی‌های دیگر آن‌ها را بادقت بررسی می‌کند تا به کشف منابع اخترفیزیکی آن‌ها منجر شود. پروژه‌ی Super-Kamiokande نیز قرار است حساسیت ابزارش بالا ببرد تا بتواند ضدنوترینوها را با نوترینوها مقایسه کند. ممکن است به زودی آزمایشگاه نوترینوی دیگری نیز در آمریکا ساخته شود که پرتوهای نوترینو از Fermilab به آشکارسازی در South Dakota بفرستد. منتظر خبرهای مهیج دیگر از نوترینوها باشید.

* در پایان، باید به این نکته‌ی بسیار مهم توجه کنیم که ساخت هر دوی این آزمایش‌های عظیم، هزینه‌های بسیاری داشته و مهندسان و محققان بسیاری در این کشف سهیمند.

گردآوری: آزاده کیوانی و آیرین شیوایی