نوترینوها بیشتر چه «طعمی» دارند؟

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 12 آوریل 2015

نوترینوها ذرات بنیادی کوچکی هستند که جرم بسیار کمی دارند و از لحاظ بار الکتریکی خنثی به شمار می‌روند. این ذرات به ندرت با ذرات دیگر ماده واکنش انجام می‌دهند و تنها تحت تاثیر نیروی هسته‌ای ضعیف قرار می‌گیرند. نوترینوها سه نوع مختلف دارند که به آن‌ طعم نیز گفته می‌شود: نوترینوی الکترون، نوترینوی میون، و نوترینوی تاو. علاوه بر آن، هر یک از این سه ذره، پادذره‌ی خود را نیز دارند که به آن‌ها پادنوترینو گفته می‌شود.

شکل ۱: پرانرژی‌ترین نوترینویی که تا به حال در رصدخانه‌ی IceCube و بر روی زمین آشکار شده است. این نوترینو یک نوترینوی آبشارگونه است و ۱/۱۴ PeV انرژی دارد.

نوترینوها کاندیداهای خوبی برای بررسی منابع اخترفیزیکی و مطالعه‌ی فرآیندها و واکنش‌های ذرات در این منابع هستند، زیرا این ذرات همان‌طور که گفتیم برهم‌کنش بسیار ضعیفی با ماده دارند و تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی نیز قرار نمی‌گیرند. در نتیجه آشکارسازی و مطالعه‌ی ویژگی‌های این ذرات به ما کمک می‌کند تا عالم پرانرژی را بهتر بشناسیم. یکی از مهم‌ترین آشکارسازهای نوترینوها، رصدخانه‌ی IceCube است که در قطب جنوب واقع شده است. درباره‌ی این رصدخانه قبلا این‌جا نوشته‌ایم. در یکی از مقالات اخیر این رصدخانه، تنوع طعم‌های مختلف نوترینوها بررسی شده است. به این معنی که در داده‌های پرانرژی نوترینوها که در طی سه سال از این رصدخانه گرفته شده است، به چه نسبتی از هر کدام از نوترینوی الکترون، نوترینوی میون، و نوترینوی تاو وجود دارد. شناخت این ترکیب به ما کمک خواهد کرد که در مورد منابع و شتاب‌دهنده‌‌های اخترفیزیکی و هم‌چنین واکنش‌های ذرات در این شتاب‌دهنده‌ها بیشتر بدانیم و مدل‌های موجود فیزیک ذرات را توسعه دهیم.

نوترینوهای اخترفیزیکی به احتمال زیاد از واپاشی ذرات ثانویه، هم‌چون پایون‌ها، کاون‌ها، میون‌ها و نوترون‌ها که در برخوردهای پرتوهای کیهانی به وجود می‌آیند، به دست می‌آیند. در یکی از مدل‌های مربوط که به مدل «شتاب شوک پخشی» معروف است، طیف انرژی پرتوهای کیهانی از یک تابع توانی پیروی می‌کنند که اندیس توان آن ۲- است. این اندیس توانی برای ذرات پرتوهای کیهانی که تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، در مسیرشان به زمین تغییر می‌کند. اما قضیه برای نوترینوها متفاوت است؛ آن‌ها تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار نمی‌گیرند (از آن‌جایی که بدون بارند) و اندیس توانی طیف انرژیشان ثابت می‌ماند. در محبوب‌ترین سناریوی موجود، واپاشی پایون‌‌ها و ذرات میون تولیدشده توسط آن‌ها بخش اصلی شار نوترینوها را منجر می‌شوند، به این معنی که نسبت طعم‌های نوترینوها در منبع اخترفیزیکی، یعنی نوترینوی الکترون به نوترینوی میون به نوترینوی تاو، ۱ به ۲ به ۰ می‌شود. این نسبت در سناریوهای مختلف به ۰-۱-۰ و ۱-۰-۰ تبدیل می‌شود. اما یکی از اتفاق‌های بسیار عجیب و جالب نوترینوها این است که آن‌ها پس از تولید در منبع اخترفیزیکی و در طول مسیر خود می‌توانند طعم خود را تغییر دهند. به این اتفاق کوانتومی، نوسانات نوترینو گفته می‌شود. مطالعات گوناگون نشان داده‌اند که انتظار می‌رود نسبت ۱-۲-۰ (به ترتیب الکترون، میون، و تاو از راست به چپ) در منبع اخترفیزیکی به نسبت ۱-۱-۱ در زمین تغییر کند.

شکل ۲: نوترینوی مسیرگونه که در IceCube آشکار شده است.

نوترینوهای رصدشده در IceCube به دو توپولوژی مختلف تقسیم می‌شوند: آن‌هایی که به آبشاری از ذرات شباهت دارند (آبشارگونه) و آن‌هایی که به باریکه‌ای از ذرات می‌مانند (مسیرگونه). نوترینوهای آبشارگونه در منطقه‌ی محدود و کوچکی، نور تابش می‌کنند (شکل ۱). در نوترینوهای مسیرگونه، مسیر ذره‌ی باردار تولیدشده در برخورد با آشکارساز به وضوح نمایان می‌شود (شکل ۲). جهت ورود نوترینوهای مسیرگونه با دقت بالایی (حدود ۱ درجه) در آسمان بازسازی می‌شوند درحالی‌که نوترینوهای آبشارگونه حدودا ۱۵ درجه، خطا دارند.

محدوده‌ی انرژی نوترینوهای بررسی‌شده در این مقاله، بین ۳۵ TeV و ۱/۹ PeV است که از داده‌های سال ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۳ انتخاب شده‌اند. پس از حذف داده‌های غیرمطلوب، ۱۲۹ نوترینوی آبشارگونه و ۸ نوترینوی مسیرگونه در این بررسی باقی می‌مانند. پژوهشگران این مقاله، فضای احتمالی سه‌گانه‌ی طعم نوترینوها را با استفاده از این داده‌ها و روش‌های آماری خاصی، محاسبه کرده‌اند و بهترین ترکیب طعم نوترینوهای رصدشده در زمین را ۰-۰/۲-۰/۸ به دست آورده‌اند. در شکل ۳، بهترین برازش ترکیب نوترینوها در زمین با صلیب مشکی مشخص شده است. نسبت ۱-۱-۱ با دایره‌ی آبی، نسبت ۰-۱-۰ با مثلث قرمز و نسبت ۱-۰-۰ با مربع سبز مشخص شده‌اند. هر ضلع مثلث نمایانگر یکی از طعم‌هاست و رنگ‌ها نمایانگر احتمال ردکردن ترکیب طعم‌ها هستند.

شکل ۳: مثلث طعم‌های سه‌گانه نوترینوها. هر ضلع یکی از طعم‌ها را نشان می‌دهد. صلیب سیاه، بهترین برازش را نشان می‌دهد که ترکیب ۰-۰/۲-۰/۸ را برای نوترینوی الکترون، نوترینوی میون، و نوترینوی تاو به ترتیب به دست می‌دهد. برای توضیحات بیشتر به متن رجوع کنید.

این نتایج نشان می‌دهند که ترکیب ۰-۱-۰ یعنی حالتی که تنها نوترینوهای میون که عمدتا مسیرگونه نیز هستند وجود داشته باشند، با اهمیت آماری ۳/۳ سیگما رد می‌شود. هم‌چنین ترکیب ۱-۰-۰ که تنها نوترینوهای الکترون که عمدتا آبشارگونه هستند، با اهمیت آماری ۲/۳ سیگما رد می‌شود. این نتایج، یافته‌های قبلی IceCube را نیز رد می‌کند. قبلا در تحلیل داده‌های ۳ ساله‌ی این رصدخانه، ترکیب ۱-۰-۰ طعم‌های نوترینوها بر ترکیب ۱-۱-۱ با ۹۲٪ حد اطمینان، ارجحیت داشت. این عدم تطبیق عمدتا به تخمین داده‌های پس‌زمینه و شناخت خطاهای سیستماتیک مربوط می‌شود. قابل ذکر است که هیچ‌یک از ترکیب‌های پیشین در تحلیل جدید با حد اطمینان بالاتر از ۶۸٪ (یک سیگما) رد نشده‌اند.

اندازه‌گیری‌های آینده‌ی نسبت طعم نوترینوها در IceCube با تغییر تکنیک‌های مختلفی بهبود پیدا خواهند کرد. این تغییرات شامل تکنیک‌های حذف نوترینوهایی که خارج از آشکارساز واکنش انجام داده‌اند و سپس وارد آن شده‌اند و هم‌چنین جستجوی بیشتر برای اثرات نوترینوهای پرانرژی تاو هستند. این تغییرات، اندازه‌گیری ترکیب طعم نوترینوها را در منابع اخترفیزیکی و بررسی نوسانات نوترینوها را در فواصل نجومی محتمل‌تر و دقیق‌تر خواهند کرد.