دانشمندان در آستانه‌ کشف نوع جدیدی از نوترینو

اخیرا دانشمندان آزمایشگاه ملی فِرمی آمریکا (فِرمی‌لب) نتایج سنجشی را اعلام کردند که گیج‌کننده به نظر می‌رسید. این موضوع در مورد یک ذره‌ی زیراتمی به نام نوترینو است که شبحی در دنیای صغیر است و قادر این است بدون هیچ تعاملی از داخل مواد عبور کند. سنجش جدیدی که با همکاری گروهی از دانشمندان با عنوان MiniBooNE (آزمایشی درفرمی‌لب برای مشاهده‌ی نوسانات نوترینو) انجام شده است، می‌تواند قاصد کشف احتمالی نوع جدیدی از نوترینو که ممکن است منشا ماده‌ی تاریک، یکی از معماهای پیچیده‌ی ستاره‌شناسی مدرن، باشد.

برای درک ارتباط همه‌ی اینها لازم است ابتدا مختصری در مورد تاریخچه‌ی نوترینوها بدانید. ولفگانگ پائولی فیزیکدان اتریشی نخستین کسی بود که در سال ۱۹۳۰ پیشنهاد وجود نوترینوها را مطرح کرد. اکنون ما می‌دانیم نوترینوها ذرات بنیادی خنثایی هستند که فقط تحت تاثیر نیروی هسته‌ای ضعیف قرار می‌گیرند؛ نیرویی که دارای برد کوتاه‌تری نسبت به نیروی الکترومعناطیس بوده و بنابراین این ذرات می‌توانند مسافت‌های طولانی را درون مواد بدون هیچ برهم‌کنشی طی کنند. نوترینوها در نتیجه‌ی واکنش‌های هسته‌ای و شتاب‌دهنده‌های ذرات ایجاد می‌شوند.

ذرات نوترینو شبحی هستند که قادرند بدون هیچ تعاملی از داخل مواد عبور کند

در سال ۱۹۵۶ گروهی از فیزیکدانان به رهبری کلاید کوان و فردریک رینزاین ذرات شبح‌وار را برای اولین بار مشاهده کردند. به‌خاطر این کشف رینز در سال ۱۹۹۵ جایزه نوبل دریافت کرد؛ کوان قبل از دریافت جایزه از دنیا رفت. طی چند دهه، سه نوع مختلف از نوترینو شناسایی شد که به آن‌ها اصطلاحا طعم‌های مختلف نوترینو هم گفته می‌شود. هر کدام از طعم‌های نوترینوها چیز متمایزی است مثل مزه‌ی وانیل، توت فرنگی و بستنی شکلاتی که در کودکی خورده‌اید. طعم‌های طبیعی نوترینوها حاصل ارتباط آن‌ها با دیگر ذرات زیراتمی است. این سه نوع نوترینو عبارت‌اند از الکترون نوترینو، میون نوترینو و تاو نوترینو که به ترتیب به ذرات الکترون، میون و تاو متصل‌اند. الکترون ذره آشنایی است که درون اتم‌ها وجود دارد، میون و تاو از ذرات بنیادی زیراتمی هستند که بار الکتریکی ندارند.

در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ یه معما به‌وجود آمد. ریموند داویس و جان باکال، دو پژوهشگر آمریکایی تلاش کردند که میزان تولید نوترینوها (به خصوص الکترون نوترینوها) را در بزرگترین رآکتور هسته‌ای اطراف ما، یعنی خورشید محاسبه و اندازه‌گیری کنند. زمانی که پیش‌بینی‌ها و اندازه‌گیری‌ها با هم مقایسه شدند، با یکدیگر همخوانی نداشتند. داویس متوجه شد که فقط حدود یک‌سوم الکترون نوترینوهای پیش‌بینی‌شده توسط باکال وجود دارند. داویس از ظرفی به‌اندازه‌ی استخر شنای المپیک پر از مایع استاندارد مورد استفاده در خشک‌شویی‌ها برای تشخیص نوترینوها استفاده کرد. ایده‌ی کار این بود که وقتی نوترینوها از خورشید به اتم‌های کلری که در مایع خشک‌شویی وجود دارد، برخورد می‌کنند، آن اتم‌ها تبدیل به آرگون خواهند شد. داویس باید برای چند هفته منتظر می‌ماند و در ادامه بایستی آرگون را استخراج می‌کرد. او انتظار مثلا ۱۰ اتم آرگون را داشت؛ ولی تنها سه اتم آرگون پیدا کرد. علاوه بر دشواری آزمایشی، محاسبه‌ی باکال نیز چالش‌برانگیز بود و به دمای هسته‌ی خورشید بی‌نهایت حساس بود. تغییرات بسیار کم در دمای خورشید پیش‌بینی تعداد نوترینوهای حاصل را تغییر می‌داد.

ریموند داویس از مخزن پر از مایع خشک‌شویی برای مشاهده‌ی نوترینوهای خورشیدی استفاده کرد

دیگر آزمایش‌ها نیز تضاد بین یافته‌های باکال و داویس را تایید کردند؛ پس این تصور به‌وجود آمد که یکی از این دو اشتباه است. اختلاف دیگری نیز در این پژوهش پدیدار و موجب سردرگمی پژوهشگران شد. نوترینوها در اتمسفر زمین در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با هوایی که ما تنفس می‌کنیم، تولید می‌شوند. دانشمندان با اطمینان می‌دانند که وقتی چنین اتفاقی می‌افتد، نوترینوهای میون و الکترون به نسبت دو به یک تولید می‌شوند. با این حال زمانی که این نوترینوها اندازه گیری شدند، نسبت این دو نوع ذره یک به یک بود و این باز موجب گیج شدن فیزیکدان‌ها شد.

معمای نوترینوهای خورشید و پرتوهای کیهانی فضا در سال ۱۹۹۸ حل شد؛ زمانی که پژوهشگرانی در ژاپن از یک مخزن زیر زمینی بسیار بزرگ پنجاه هزار تنی آب استفاده کردند تا نسبت نوترینوهای میون و الکترون تولید شده در اتمسفر را در فاصله ۱۲ مایلی بالای مخزن بررسی کنند و آن را با همان نسبتی که در سمت دیگر کره زمین در فاصله‌ی حدود ۱۳ هزار کیلومتری مقایسه کردند. با استفاده از این روش هوشمندانه، آن‌ها دریافتند که نوترینوها حین حرکت هویت خود را تغییر می‌دهند. برای مثال در معمای داویس-باکال الکترون نوترینوهای از خورشید آمده تبدیل به دو نوع دیگر می‌شدند. به این فرایند نوسان نوترینو گفته می‌شود. تغییر هویت نوترینوها حالت ایستایی ندارد یعنی اگر این نوترینوها زمان کافی داشته باشند، هویت خود را بارها و بارها تغییر خواهند داد. توجیه نوسان نوترینو تایید شد و در مطالعه‌ای در سال ۲۰۰۱ که در کانادا انجام شد، آشکارتر شد.

با تایید پدیده‌ی نوسان نوترینو، دانشمندان توانستند آن را با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذرات مطالعه کنند. آن‌ها توانستند پرتوهای نوترینو را تولید کرده و سرعت تبدیل آن‌ها از نوعی به نوع دیگر را مشخص کنند. در آزمایشگاه فِرمی لب این پدیده‌ها به‌طور وسیع مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

آشکارساز MiniBooNE مورد استفاده برای تایید وجود نوترینوی عقیم

آیا طعم چهارم وجود دارد؟

مطالعه‌ای در سال ۲۰۰۱ در آزمایشگاه لس آلاموس با همکاری آشکارساز جرقه مایع نوترینو (LSND) انجام شد. اندازه گیری‌های آن‌ها با تصویر پذیرفته شده از سه طعم مختلف نوترینو همخوانی نداشت. برای معنی‌دار شدن نتایج، لازم بود فرض شود نوع چهارمی از نوترینو هم وجود دارد. این ذره یک نوع معمولی از نوترینو نبود. این نوع نوترینو،نوترینوی استریل (عقیم) نامیده شد؛ زیرا هیچ نیروی ضعیفی را احساس نمی‌کنند. با این حال این ذرات در نوسان نوترینو شرکت می‌کنند و با این ویژگی کاندیدای ایده‌آلی برای ماده تاریک محسوب می‌شوند.

اگرچه این موضوع مشاهده‌ای جالب بود اما بسیاری از دیگر آزمایشات با آن موافق نبودند. در حقیقت نتیجه‌ی LSND یک داده‌ی پرت بود که معمولا در متاآنالیزهای فیزیک، نوترینو در نظر گرفته نمی‌شد.

در ادامه‌ی این داستان علمی ما به اندازه‌گیری اخیر توسط آزمایش MiniBooNE در آزمایشگاه فرمی‌لب می‌رسیم. این نام برگرفته از تقویت‌کننده‌ی آزمایش نوترینو است که در آن از شتاب‌دهنده‌های فِرمی‌لب که بوستر (تقویت‌کننده) نامیده می‌شوند برای ساختن نوترینوها استفاده شدند. دانشمندان MiniBooNE دریافتند که داده‌های آن‌ها حقیقتا اندازه‌گیری‌های LSND را پشتیبانی و تایید می‌کند و اگر آن‌ها داده‌های خود را با اطلاعات LSND ترکیب کنند، قدرت آماری اندازه‌گیری به اندازه‌ای بالا خواهد رفت که بتوانند ادعای کشف نوترینوهای عقیم را داشته باشند.

اما باز این حقیقت وجود دارد که بسیاری از دیگر آزمایشات با آزمایش LSND در تضاد هستند، پس چه چیزی در این میان است؟

شاید پژوهشگران LSND و MiniBooNE موردی را دریافته‌اند که در دیگر آزمایش‌های بدان پی برده نشده بود؛ یا اینکه ممکن است LSND و MiniBooNE هر دو کشف اشتباهی انجام داده‌اند؛ یا اینکه دستگاه‌های این دو آزمایش خاص بسیار حساس‌تر از دستگاه‌های دیگر آزمایش‌ها بوده‌اند.

فرمی لب از سه آشکارگر برای مطالعه بیشتر نوترینوی عقیم استفاده خواهد کرد

یک پارامتر مهم این است که فاصله‌ی بین جایی که نوترینوها ایجاد شده و محلی که آن‌ها تشخیص داده شده‌اند، نسبتا کوتاه و در حد چند صد متر است. نوسان نوترینوها طی زمان اتفاق می‌افتد و حرکت آن‌ها به معنای فاصله است. در بسیاری از آزمایش‌ها، نوسان نوترینوها از آشکارسازهایی که در فاصله‌ی چند کیلومتر دورتر قرار گرفته‌اند، استفاده شده‌است. شاید نوسانات مهم، سریع‌تر اتفاق افتاده و بنابراین به یک آشکارساز نزدیک‌تر نیاز باشد.

پیچیدگی دیگر این مسئله، همکاری LSND و MiniBooNE است؛ اگرچه آن‌ها بیش از یک دهه است که از هم جدا هستند؛ منتها برخی اعضا یکسان بوده‌اند و ممکن است که آن‌ها همان اشتباه را باز تکرار کرده باشند. البته نتیجه‌گیری دشوار است.

پس ما چگونه باید این مسئله را حل کنیم؟ چگونه می‌توانیم بفهمیم کدام رویکرد درست است؟ در علم این اندازه‌گیری و تکرار آزمایش هستند که برنده‌ی مجادله هستند. فرمی‌لب قصد گسترش توانایی خود برای مطالعه‌ی نوترینو‌ها را دارد. به این منظور سه آزمایش مختلف نوترینو با فواصل کوتاه بین منبع تولید و نقطه تشخیص نوترینوها، در حال انجام یا راه‌اندازی هستند: MicroBooNE (نسخه‌ی کوچکتری از MiniBooNE با یک تکنولوژی متفاوت)، ICARUS و SBN. تمامی این آزمایشات از لحاظ قابلیت‌های فنی به مراتب از MiniBooNE و LSND برتر هستند و پژوهشگران امیدوارند که طی دو سال بتوانند اظهارات قطعی خود را در خصوص نوترینوهای عقیم بیان کنند.