نوترینوها چیستند؟

منبع: Live Science – 21 فوریه 2019

نوترینوها ذرات درون اتمی گریزپایی هستند که در فرایندهای هسته ای گوناگون هستی می یابند. نام آنها به معنای "ذره خنثای کوچک" است که به بدون بار بودن آنها اشاره دارد. از چهار نیروی بنیادی موجود در عالم، نوترینوها تنها با دو تا از آنها واکنش می کنند: گرانش و نیروی هسته ای ضعیف که مسئول واپاشی رادیواکتیو اتمهاست. تقریبا هیچ جرمی ندارند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور در کیهان انتشار می یابند.

در کسر ثانیه ای پس از انفجار بزرگ (Big Bang) تعداد بیشماری نوترینو بوجود آمدند و در سراسر زمان پس از آن نیز نوترینوهای جدیدی در فرایندهای گوناگون خلق شده اند: در قلب هسته ای ستارگان، در شتاب دهنده های ذرات و راکتورهای اتمی موجود بر کره زمین، در طی فروریزش انفجاری ابرنوستاره ها و وقتی عناصر رادیواکتیو دچار واپاشی می شوند. معنای گفته این است که بطور متوسط در عالم تعداد نوترینوها یک میلیارد برابر بیشتر از تعداد پروتون هاست.

با وجود فراوانی آنها، نوترینوها راز بزرگی در برابر فیزیکدانها هستند زیرا شکار آنها بسیار دشوار است. نوترینوها از درون بیشتر مواد چنان به سهولت جریان می یابند که گویی اشعه نوری هستند که از پنجره ای شفاف عبور می کنند و بندرت با هر ماده دیگری واکنش می یابند. تقریبا در این لحظه 100 میلیارد نوترینو از درون بدن شما عبور کرده اند بدون اینکه چیزی حس کنید.

کشف ذرات نامشهود

نوترینوها اولین بار برای حل یک معمای علمی مطرح شدند. در قرن نوزدهم پژوهشگران در مورد پدیده ای به نام واپاشی بتا دچار گیجی شده بودند. در این رخداد هسته درون اتم بطور آنی یک الکترون از خود ساتع می کند. بنظر می رشید واپاشی بتا از دو اصل بنیادین فیزیک یعنی بقای انرژی و بقای اندازه حرکت تخطی می کند. این چنین می نمود که در پیکربندی نهایی ناشی از واپاشی بتا ذرات انرژی بسیار اندکی دارند و پروتون بجای گرفتار شدن در جهت مخالف الکترون ساکن در جای خود می ایستد. تنها در سال 1930 بود که فیزیکدان بزرگ ولفگاگ پاولی این ایده را مطرح کرد که ممکن است ذره دیگری از درون هسته اتم بیرون آید که انرژی و اندازه حرکت گم شده را با خود به بیروه هسته منتقل می کند. پاولی به دوست خود نوشت که با فرض ذره ای غیر قابل آشکار ایده وحشتناکی را مطرح کرده است. نوترینوهای فرضی او چنان وجود شبح واری داشتند که ندرتا به هر چیزی واکنش کرده و جرم اندکی در حد هیچ داشتند.

بیش از یک ربع قرن بعد فیزیکدانانی به نام کلاید کووان و فردریک راینز یک آشکار نوترینو ساخته و آن را در خارج راکتور اتمی نیروگاه رودخانه ساوانا در جنوب کارولاینا قرار دادند. آزمایش آنها توانست تعداد کمی از صدها تریلیون نوترینوی خارج شده از راکتور را آشکار کند. آنها تلگرامی به پاولی در تایید نظریه نوترینوی او ارسال کردند. راینز در سال 1995 جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کردند – در آن زمان کووان همکار او درگذشته بود.

از آن زمان تاکنون نوترینوها بطور مداوم با انتظارات دانشمندان تقابل ورزیده اند. خورشید تعدادی بیشماری نوترینو تولید می کند که زمین را بمباران می نمایند. در میانه قرن بیستم پژوهشگران آشکارسازهایی برای جستجوی این ذرات ساختند اما آزمایشات آنها تنها یک سوم نوترینوهای قابل پیش بینی را آشکارسازی کرده است. یا در مدلهایی که ستاره شناسان برای خورشید ساخته اند چیزی اشتباه است یا امر غریب و نامکشوفی اتفاق می افتد که از آن بی خبریم.

فیزیکدانان بالاخره دریافتند که نوترینوها در سه نوع طعم (flavor) می آیند. نوترینوی عادی، نوترینوی الکترون نامیده می شود. دو طعم دیگر نیز وجود دارند: نوترینوی میون (meun) و نوترینوی تاو (tau). وقتی این ذرات فاصله میان خورشید و سیاره ما را طی می کنند بین این سه نوع نوسان می نمایند. به همین دلیل آزمایشات اولیه که تنها برای کشف نوترینوهایی از یک نوع طراحی شده بودند نمی توانستند دو سوم نوترینوها را آشکارسازی کنند.

اما تنها ذرات دارای جرم می توانند اینگونه بین سه نوع نوسان کنند، واقعیتی که با ایده اولیه در مورد بدون جرم بودن نوترینوها نمی خواند. در حالی که دانشمندان جرم دقیق هر سه نوع نوترینو را نمی دانند آزمایشات تعیین کرده ند که سنگین ترین آنها باید حداقل 0.0000059 بار سبکتر از الکترون باشد.

قوانینی جدید برای نوترینوها

در سال 2011 پژوهشگران در پروژه OPERA واقع در ایتالیا اعلام کردند که نوترینوهایی سریعتر از نور یافته اند، نتیجه ای که طبق فرضیات علمی موجود ناممکن بنظر می رسد. گرچه این خبر بطور وسیعی در رسانه ها منتشر شد نتایج این آزمایشات از سوی جامعه علمی با بدبینی زیادی مواجه گردید. کمتر از یکسال بعد فیزیکدانان دریافتند که یک سیم کشی اشتباه باعث محاسبه غلط سرعت نوترینوها شده و آنها سریعتر از نور حرکت نمی کنند.

اما هنوز دانشمندان باید مطالب زیادی درباره نوترینوها یاد بگیرند. اخیرا پژوهشگران آزمایشگاه شتاب دهنده فرمی در نزدیکی شکاگو نوع جدیدی از نوترینو به نام نوترینوی استریل یافته اند. این نوترینوها در چارچوب مدل استاندارد موجود برای تبیین تمام ذرات و نیروهای موجود (بجز گرانش) قرار نمی گیرند. این پژوهشگران معتقدند چارچوب تحلیلی کاملا جدیدی برای توصیف این ذرات باید ابداع شود.