میزان جذب نوترینو های شبح وار توسط زمین برای اولین بار اندازه گیری شد

نوترینو‌ها به غیر قابل آشکار‌سازی بودن مشهور هستند. نوترینو‌ها ذرات زیر اتمی هستند که بار الکتریکی نداشته و جرم آن‌ها نزدیک به صفر است. این ذرات زیر اتمی، از اتم‌ها‌ی تشکیل‌دهنده‌ی جو و ساختار زمین می‌گذرند و به ندرت اثری از خود باقی می‌گذارند.

اما همه‌ی نوترینو‌ها بدون اینکه اثری داشته باشند عبور نمی‌کنند. تحقیقات جدید نشان می‌دهند که این ذرات پر انرژی شبه وار، می‌توانند در مسیر حرکت خود متوقف شوند. این کشف، نظریه‌پردازان را شگفت‌زده نکرده است اما می‌تواند راه جدیدی برای کشف قسمت‌های پنهان سیاره باز کند.

یک گروه بین‌المللی از محققان از سراسر جهان به نام گروه همکاری IceCube، برای اولین بار میزان جذب نوترینو‌ها توسط زمین را اندازه‌گیری کرده اند.

این واقعیت که نوترینو‌ها می‌توانند با دیگر ذرات ماده برهم‌کنش کنند و به‌همان صورتی که نظریه‌ها نشان می‌دهند جذب شوند، یک کشف بزرگ نیست. در واقع مدل استاندارد ذرات بنیادی، نظریه‌ی فوق‌العاده‌ای که نشان می‌دهد رفتار ذرات طبیعت به چه شکل است، هر چیزی که باید انتظار داشته باشیم را به ما می‌گوید.

مدل استاندارد ذرات بنیادی

در حقیقت، به دام انداختن نوترینو‌ها بسیار مشکل است، در هر ثانیه میلیارد‌ها نوترینو از بدن ما عبور می‌کنند. نوترینو‌ها به‌میزان بسیار زیاد از خورشید به سمت زمین تابش می‌شوند، همچنین از دیگر اجرام و پدیده‌ها‌ی کیهانی گسیل می‌شوند و تقریبا بدون هیچ مانعی به زمین می‌رسند.

می‌دانیم که هر‌چه انرژی نوترینو‌ها بیش‌تر باشد، شانس بیش‌تری برای جذب توسط پروتون‌ها و نوترون‌ها‌ی اتم‌ها دارند.  به‌گفته‌ی فرانسیس هالزن، از دانشگاه ویسکانسین- مادیسون و یکی از اعضای گروه IceCube:

بر این باور هستیم که هیچ ذره‌ای به غیر از نوترینو نمی‌تواند از  زمین عبور کند. با این حال، احتمال اینکه نوترینو بتواند با اتم‌ها برهم‌کنش کند همچنان وجود دارد و این احتمال با افزایش انرژی نوترینو افزایش می‌یابد.

این احتمال بر‌هم‌کنش، سطح مقطع نام دارد. در واقع مشکل اصلی این نیست که اطلاعات زیادی در مورد نوترینو‌ها نداریم؛ مشکل این است که نمی‌توانیم نوترینو‌هایی تولید کنیم که انرژی کافی برای دست‌یابی به سطح مقطع قابل بررسی را داشته باشند. شتاب‌دهنده‌ها‌ی روی زمین توانایی تولید نوترینو‌ها‌ی پر انرژی را ندارند. تنها شتاب‌دهنده‌هایی که این قابلیت را دارند، شتاب‌دهنده‌ها‌ی کیهانی هستند. از جمله سیاهچاله‌ها‌ی فوق سنگین و هسته‌ی کهکشان‌ها‌ی ستاره‌زا.

نوترینو‌ها‌ی گسیل‌شده از فضا، به همراه تابش‌ها‌ی کیهانی با سرعت بسیار بالا به سمت زمین آمده و با جو و سطح آن برخورد می‌کنند. بنابر‌این، محققان ۵۱۶۰ آشکار‌ساز هر کدام به‌اندازه‌ی یک توپ بسکتبال را در یک کیلومتر زیر زمین در قطب جنوب زمین مستقر کرده‌اند تا شاید بتوانند نشانه‌ای از این نوترینو‌ها‌ی پر انرژی پیدا کنند. طریقه‌ی کار آشکار‌ساز‌ها به این صورت است: زمانی که یک نوترینوی پر انرژی با یک ذره‌ی دیگر برخورد کند، تابش بسیار خفیفی ایجاد می‌شود که آشکار‌ساز می‌تواند آن را ببیند. به‌خاطر داشته باشید که این یک اتفاق معمول نیست. هم اکنون که در حال خواندن این مقاله هستید، میلیارد‌ها نوترینو در هر ثانیه از بدن شما عبور می‌کنند. محققان توانسته اند ۱۰۷۸۴ فلاش نور را در طول یک سال آشکار‌سازی کنند.

محققان توانسته‌اند انرژی نوترینو‌ها را تخمین بزنند و متوجه شدند که تعداد نوترینو‌ها‌ی پر انرژی که از نیم‌کره‌ی شمالی به زمین می‌رسند بسیار کمتر است. این آشکار‌سازی به محققان این امکان را می‌دهد که سطح مقطع نوترینو‌ها را در میدانی با شدت ۶.۳ تا ۹۸۰ ترا الکترون ولت (TeV) به دست آورند. برای این‌که بتوانید تصوری از این انرژی داشته باشید، خوب است بدانید که شتاب‌دهنده‌ها‌ی ساخته‌ی انسان، می‌توانند نوترینو‌ها‌یی با حد‌اکثر انرژی تقریبا ۰.۴ ترا الکترون ولت تولید کنند. به گقته‌ی هالزن:

امیدوار بودیم که بتوانیم فیزیک جدیدی بیابیم. اما متاسفانه متوجه شدیم مدل استاندار ذرات بنیادی کاملا با یافته‌ها‌ی آزمایشگاهی مطابقت دارد. به هر حال هیچ کشفی از ابعاد جدید تا به حال برای ما به دست نیامده است.

بیایید به نیمه‌ی پر لیوان نگاه کنیم. این راه می‌تواند به ما در فهم بیشتر از ساختار درونی زمین از جمله هسته‌ی آن کمک کند. با وجود توضیحات به‌ظاهر دقیقی که در کتاب‌ها خوانده‌ایم، هنوز هم زمین زیر پایمان در هاله‌ای از ابهام است. نوترینو‌ها همچنان بسیار معماگونه هستند و حل این معما‌ها می‌تواند به کشف راز‌ها‌یی در مورد جهان مانند چرایی وجود نوترینو‌ها بیانجامد. در حالی که می‌توانیم چشم انداز بهتری در مورد این ذرات شبح وار پیدا کنیم، جای نا‌امیدی نیست. این مقاله در Nature به چاپ رسیده است.