فراسوی فیزیک (Beyond Physics)

نوترینوها چه ذراتی هستند؟ ذرات شبح مانندی که در همه جای کیهان پخش هستند، جالب است بدانید که هم اکنون که مشغول خواندن این مطلب هستید در هر ثانیه صدها میلیارد ذره شبح مانند نوترینو بدون آنکه متوجه شوید در حال عبور از بدن شما هستند.

اغلب این ذرات شبح‌گون که به ما می‌رسند، در واکنش‌های گرما هسته‌ای که در قلب خورشید و سایر ستارگان ایجاد شده تولید شده‌اند. از آنجایی که نوترینوها برهم کنش بسیار ضعیفی با سایر ذرات ماده دارند، بنابراین بدون هیچ مانعی از میان ذرات دیگر عبور می کنند. بعنوان مثال این نوترینوها از قلب ستاره ها به تمامی جهات در پهنه کیهان گسیل می‌شوند و هیچ چیز جلودار آنها نیست. آنها در مسیر حرکت خود به سیاره ما می‌رسند، از یک طرف وارد کره زمین شده و به راحتی از طرف دیگر آن بیرون می‌روند گویی که هیچ چیز در مسیر حرکت آنها نبوده است. محاسبات نشان می‌دهند که حتی یک سپر فرضی سُربی به ضخامت یک سال نوری هم نمی‌تواند بیش از نیمی از این نوترینوها را متوقف نماید.

وجود ذرات شبح مانند نوترینو برای نخستین‌بار در سال ۱۹۳۰ توسط ولفگانگ پائولی (۱) ، فیزیکدان معروف اتریشی پیش‌بینی شده بود. داستان از این قرار بود که نتایج آزمایش‌های صورت گرفته بر روی واپاشی رادیواکتیو بتا، با قوانین مشهور پایستگی انرژی و تکانه جور درنمی‌آمد. پائولی بر این باور بود که نقض ظاهری این دو قانون بدان علت است که در واپاشی بتا، ذره‌ای شبح‌مانند نیز تولید می‌شود که بدون آنکه با هیچ‌یک از دستگاه‌های آشکارساز ما برهم‌کنشی داشته باشد، مقداری از انرژی و تکانه واکنش را با خود می‌برد. با فرض عجیب و در عین حال جسورانه پائولی، جست و جو برای کشف این ذرات اسرارآمیز و شبح مانند آغاز شد.

البته این نوترینوها آنچنان گریز پا بودند که به این سادگی ها در تله دستگاه های آشکارساز نمی افتادند، رفتار شبح مانند این ذرات، به دام انداختن آنها را برای فیزیکدان‌ها غیرممکن کرده بود، تا نهایتاً ۲۵ سال بعد، دو فیزیکدان به نام‌های فردریک راینز (۲) و کلاید کوان (۳) در سال ۱۹۵۶ موفق شدند با کمک گروه تحقیقاتی تحت رهبری خود، تعدادی از این ذرات گریزپا را به دام بیندازند. راینز و کلاید در آزمایش خود از یک رآکتور هسته ای بعنوان چشمه تولید نوترینو استفاده کردند چرا که شدت نوترینوهای گسیل شده از رآکتورهای هسته ای به مراتب بیش از هر چشمه رادیواکتیو معمولی بود. آنها با استفاده از این چشمه فوق العاده پر شدت نوترینو توانستند از میان ده ها هزار میلیارد نوترینوی گریزپایی که در هر ساعت از دستگاه آشکارسازشان عبور می کرد. چند عدد را به دام انداخته و صید کنند و بطور رسمی در مقاله ای در ۲۰ جولای ۱۹۵۶ در نشریه معروف ساینس به چاپ برسانند. کشف بسیار مهمی که منجر به اعطای جایزه نوبل سال ۱۹۹۵ به این دانشمندان شد.

دستاورد راینز و کوان، گام مهمی در شناخت فیزیک نوترینوها محسوب می‌شد. این دستاورد، راه را برای توسعه سیستم‌های آشکارساز نوترینو باز کرد. با توسعه چنین سیستم‌هایی مشخص شد که نوترینوها علاوه بر قلب خورشید و ستارگان، در انفجارهای عظیم ابرنواختری نیز به میزان بسیار فراوان ایجاد می‌شوند. درواقع بیش از ۹۹ درصد انرژی خارق‌العاده این انفجارهای کیهانی توسط نوترینوها حمل می‌شود. امروزه می‌دانیم که نوترینو، یکی از فراوان‌ترین ذرات جهان است به‌طوری‌که به ازاء هر پروتون، چیزی درحدود یک میلیارد نوترینو در جهان وجود دارد.

رصدخانه نوترینوی آیس‌کیوب، رصدخانه‌ای در دل یخچال‌های قطب جنوب واقع در ایستگاه آموندسن-اسکات، دانشمندان در ماه نوامبر ۲۰۱۳ توانستد ۲۸ ذره نوترینوی پرانرژی را با انرژی بیشتر از ۵۰ تراالکترون‌‍ولت شناسایی کردند.

اکنون می‌دانیم که ۳ نوع نوترینو در جهان وجود دارد و اینکه نوترینوها برخلاف تصور اولیه، فاقد جرم نیستند بلکه جرم اندکی دارند. اما تمامی این ویژگی‌ها، ارتباط تنگاتنگی با بنیادی‌ترین نظریات موجود درمورد ذرات بنیادی و کیهان‌شناسی دارند. ذراتی که شاید در نهایت توضیحی برای ماده تاریک و اسرارآمیز جهان بدهند. علاوه بر این چون نوترینوها براحتی از میان همه چیز در جهان عبور می کنند می توانند بدون مانع چندانی از اعماق کیهان به ما رسیده و حامل اطلاعات ارزشمندی برای اختر فیزیکدان ها و کیهانشناسان باشند. به همین دلیل از زمان آشکارسازی اولین نوترینوها تا به امروز، دستگاه‌های آشکارساز نوترینو، روز به روز پیچیده‌تر و کامل‌تر شده‌اند تاجائیکه امروزه رصدخانه‌های عظیم نوترینو را حتی در زیر یخ‌های قطبی و یا اعماق دریاها نیز نصب می‌کنند. در سایه تلاش‌های این فیزیکدانان، شگفتی‌های بیشتری از ویژگی‌های اسرارآمیز نوترینوها بر بشر آشکار شده است.

اینک، لحظه‌ای مکث کرده و دوباره به میلیاردها ذرات شبح مانندی که پس از پیمودن یک سفر طولانی کیهانی هم‌اکنون درحال عبور از بدن شما هستند بیندیشید. به نظر می رسد که آنها پیام مهمی برای انسان دارند.