در جستجوی نوترینو تاو

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 5 مارس 2018

شکل ۱. تصویر پایین، شبیه‌سازی یک «بانگ دوتایی» است که نماینده‌ی واکنش یک نوترینو تاو پرانرژی در یخ قطبی در رصدخانه‌ی آیس‌کیوب است. این نوترینو پس از واکنش با هسته‌ی مولکول‌های یخ (N در تصویر بالا)، اولین آبشار در سمت چپ تصویر را تولید می‌کند به همراه یک ذره‌ی تاو که پس از واپاشی دومین آبشار ذرات در سمت راست تصویر را تولید می‌کند. تصویر بالا، نمودار فاینمن این واکنش‌هاست. X و X’ نماینده‌ی هسته‌های باقی‌مانده در واکنش‌ها هستند.

نوترینو تاو یکی از سه نوترینو شناخته شده، یعنی نوترینو الکترون، نوترینو میون، و نوترینو تاو است. همان‌طور که از اسم‌هایشان پیداست، این سه نوترینو هریک به یکی از لپتون‌های نامبرده، یعنی الکترون، میون، و تاو مربوط هستند. الکترون که ذره‌ای شناخته شده است، جرمی حدود ۰.۵ میلیون‌الکترون‌ولت (MeV) دارد. میون ذره‌ای سنگین‌تر است و دارای جرمی برابر با ۱۰۶ MeV است. ذره‌ی تاو از هردوی این ذرات خواهر، سنگین‌تر است و حدود ۱۷۷۷ MeV جرم دارد. اما نوترینوهای مربوط به هریک از این لپتون‌ها جرم بسیار کوچک‌تری دارند (کم‌تر از ۰.۱ الکترون‌ولت) و مقدار دقیق جرم آن‌ها یکی از ناشناخته‌های فیزیک ذرات است.

مدل استاندارد فیزیک ذرات، جرم نوترینوها را صفر در نظر می‌گیرد. تا مدت‌ها این باور وجود داشت که نوترینوها بی‌جرم بودند، تا اینکه پدیده‌ی نوسان نوترینوها در رصدخانه‌های نوترینوی Sudbury و Super-Kamiokande کشف شد. نوسان نوترینوها به این معنی است که آن‌ها طی مسیر حرکتی خود در فضا از یک گونه (یا به اصطلاح طعم) به گونه‌ی دیگر یا طعم دیگر تبدیل می‌شوند. این پدیده‌ی کوانتومی تنها با ترکیب حالت‌های طعم نوترینوها و حالت‌های جرمی آن‌ها معنی و توصیف می‌شود. از این رو نوترینوها باید حالت جرمی قابل قبول داشته باشند و نمی‌توانند بی‌جرم باشند، هرچند جرم آن‌ها بسیار کم باشد.

تاکنون هر دو نوترینو الکترون و میون در انرژی‌های مختلف و از منابعی متفاوت رصد شده‌اند، از جمله نوترینوهایی که از منابع خارج از زمین، مثلا خورشید یا منابع دیگر داخل کهکشان مانند انفجار ابرنواختر (و حتی منابع خارج کهکشانی) آشکار شده‌اند. اما نوترینو تاو در انرژی‌های بالا تاکنون رصد نشده است و محققان بسیاری از جمله پژوهشگران رصدخانه‌های نوترینو آیس‌کیوب^۱ در قطب جنوب و آنتارس² در دریای مدیترانه به دنبال مشاهده‌ی آثار نوترینو تاو هستند. نوترینو تاو برخلاف نوترینو الکترون و میون  در واکنش‌های جوی پرتوهای کیهانی نیز به وجود نمی‌آید. اما نوترینو تاو می‌تواند در اثر نوسان نوترینو میون و نوترینو تاو که در منابع اخترفیزیکی تولید می‌شوند به وجود آیند. نوترینوها در منابع کیهانی، معمولا از واپاشی ذرات پایون به نسبت ۱ به ۲ به ۰ (نوترینوی الکترون به میون به تاو) به وجود می‌آیند. نوسانات نوترینوها باعث می‌شود که آن‌ها در رصدخانه‌های زمینی به نسبت مساوی ۱ به ۱ به ۱ وجود داشته باشند.

نوترینو تاو به روش‌های مختلفی می‌تواند آشکار شود. یکی از روش‌های جالب آن جستجو برای «بانگ دوتایی^۳» است که به معنی مشاهده‌ی دو آبشار مجزا (در عین حال در امتداد هم) از فوتون‌ در آشکارساز است. شکل بالای صفحه و هم‌چنین شکل ۱ این دو آبشار یا بانگ را نشان می‌دهد. همان‌طور که در مقاله‌های گذشته‌ی رصدخانه‌ی آیس‌کیوب (۱، ۲، ۳، ۴، و ۵) گفتیم، نوترینوها پس از واکنش با هسته‌ی مولکول‌های یخ قطبی، فوتون‌های چرنکوف تولید می‌کنند که توسط سنسورهای رصدخانه ثبت می‌شوند. رنگ‌ها نشان‌دهنده‌ی زمان رسیدن فوتون‌ها به سنسورها هستند؛ رنگ قرمز زودترین ثبت را نشان می‌دهد.

شکل ۲. تصویر سمت راست، واکنش جریان باردار و تصویر سمت چپ، جریان خنثی را نشان می‌دهد. در واکنش جریان باردار (برخلاف جریان خنثی) که توسط ذره‌ی واسطه‌ی W (ذره‌ی واسطه‌ی Z برای جریان خنثی) انجام می‌شود، یک لپتون تولید می‌شود.

برای اینکه بفهمیم بانگ دوتایی چه‌طور ایجاد می‌شود، لازم است که فرآیندهای مربوط به واکنش نوترینوها را بهتر بشناسیم. به طور کلی ذراتی که با نیروی ضعیف (یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت) واکنش انجام می‌دهند، از دو طریق «جریان باردار^۴» و «جریان خنثی^۵» واکنش انجام می‌دهند که اولی توسط ذره‌ی بوزون واسطه‌ی ⁺W و ^–W و دومی توسط ذره‌ی بوزون Z خنثی انجام می‌شوند. در مورد نوترینوها، اگر یکی از لپتون‌های مربوطه در واکنش حضور پیدا کنند، واکنش جریان باردار انجام می‌شود و ذره‌ی واسطه W است (سمت راست شکل ۲) و اگر هیچ لپتون بارداری در واکنش نباشد، جریان خثی به واسطه‌ی ذره‌ی واسطه‌ی Z رخ می‌دهد (سمت چپ شکل ۲).

بیشتر نوترینوهای تاو واکنش جریان باردار با هسته‌های ماده انجام می‌دهند که نتیجه‌ی آن تولید ذره‌ی تاو است (نمودار فاینمن در شکل ۱ را ببینید). در اثر این واکنش اولیه، مقدار قابل توجهی انرژی به صورت فوتون‌ تابش می‌شود و یک آبشاری از ذرات در آشکارساز رصد می‌شوند. اما خود ذره‌ی تاو پس از زمان کوتاهی واپاشی انجام می‌دهد. هرچه انرژی ذره‌ی تاو (و در واقع نوترینو اولیه) بیشتر باشد، این ذره قبل از واپاشی، مسافت بیشتری را در آشکارساز طی خواهد کرد. در انرژی برابر با ۱ PeV، ذره‌ی تاو می‌تواند حدود ۵۰ متر را در آشکارساز آیس‌کیوب طی کند. درنتیجه اگر انرژی یک ذره‌ی تاو برای مثال ۲۰ PeV باشد، حدود ۱ کیلومتر (که برابر با ضلع آشکارساز است) را طی خواهد کرد. ذره‌ی تاو در اثر واپاشی به ذرات دیگری تبدیل خواهد شد و انرژی از دست رفته به صورت فوتون‌های ثانویه، آبشار جدیدی ایجاد خواهد کرد. در نتیجه در مدت زمان کوتاهی که این واکنش‌ها رخ می‌دهند، دو آبشار مجزا در آشکارساز قابل رصد می‌شوند. پژوهشگران آیس‌کیوب در داده‌های این رصدخانه هر روز به دنبال وقوع یک رخداد بانگ دوتایی هستند که نشان‌دهنده‌ی کشف نوترینو تاو باشد. باوجود پیشرفت‌های زیادی که در زمینه‌ی جداسازی داده‌های پس‌زمینه و سیگنال‌های غیرواقعی انجام شده است و روش‌های مطالعه تا حد قابل توجهی دقیق شده‌اند، هنوز نوترینو تاو پرانرژی در آیس‌کیوب و هیچ‌ رصدخانه‌ و آزمایشگاه‌ نوترینو دیگری آشکار نشده است.