نوترینو: اسرارآمیزترین و عجیب‌ترین ذره‌ی بنیادی شناخته شده

نوترینوها با سایر مواد واکنش‌پذیری بسیار کمی دارند و می‌توانند از بین ذرات به‌ راحتی عبور کنند. نوترینوها از سوی ستاره‌های دیگر در تمامی جهات ساطع می‌شوند و از یک سمت وارد سیاره‌ی زمین و از سمت دیگر بدون کوچک‌ترین مانعی، خارج می‌شوند. ایده‌ی نوترینو از زمانی به وجود آمد که ولفگانگ پائولی (Wolfgang Pauli) چاره‌ای برای حفظ قانون پایستگی انرژی در تولید ذرات بتا اندیشید. پائولی هنگامی که برای نخستین بار تئوری خود را ارائه داد، نوترون هنوز کشف نشده بود. ولفگانگ پائولی در سال 1930، برای نخستین بار این ذرات را پیش‌بینی کرده بود. در آن زمان آزمایش‌هایی که روی واپاشی هسته‌ای بتا انجام شده بود با قانون پایستگی انرژی و تکانه، تناقض داشت. او معتقد بود که در این آزمایش، ذره‌ای مرموز تولید می‌شود که بدون برهم‌کنش با دستگاه‌های آشکارساز، مقداری از انرژی و تکانه‌ی واکنش را با خود می‌برد.

بیشتر نوترینوهایی که از زمین عبور می‌کنند، بر اثر فرآیندهای خورشیدی به‌وجود می‌آیند و در هر ثانیه، از هر سانتی‌متر مربع زمین، حدود ۶۵ میلیارد نوترینوی خورشیدی عبور می‌کنند. در سال ۱۹۱۴، جیمز چادویک به مسئله‌ی ابهام‌آمیزی مربوط به انرژی حرکتی ذراتی که از مواد رادیواکتیو صادر می‌شوند برخورد کرد؛ ولی نتوانست به نتیجه‌ی خاصی دست پیدا کند. ولفگانگ پائولی در سال ۱۹۳۰ ، حتی قبل از کشف نوترون‌ ایده‌ی وجود نوترینو را مطرح کرد ولی نتوانست صحبت‌های خود را اثبات کند و معمای چادویک همچنان نامشخص باقی ماند تا اینکه در سال ۱۹۵۶ فردریک رینز به همراه کلاید کووان، توانست وجود نوترینوها را اثبات کند. فردریک رینز به دلیل کشف نوترینوها در سال ۱۹۹۵، موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شد. اما اولین جایزه‌ی نوبل فیزیک در رابطه با نوترینوها، در سال ۱۹۸۸ به لیان لدرمن، ملوین شوارتز و جک اشتینبرگر، تعلق گرفته بود.

این سه فیزیکدان در سال ۱۹۶۲ موفق به کشف نوع دومی از نوترینوها شده بودند. در چارچوب مدل استاندارد ذرات، نوترینوها در کنار الکترون‌ها و میون‌ها، که هیچ‌یک از آنها نقشی در ساختاربندی هسته‌ی اتم ندارند، به لپتون‌‌ها شکل می‌دهند. کوون و رینز موفق به کشف نوترینوهایی از نسل اول لپتون‌ها، به‌نام الکترون‌ نوترینو شده بودند؛ در حالی که لدرمن، شوارتز و اشتینبرگر نوترینوهایی از نسل دوم لپتون‌ها به‌نام میون‌ نوترینو را کشف کرده بودند. دستاورد راینز و کوان، گام مهمی در شناخت فیزیک نوترینوها محسوب می‌شد. این دستاورد، راه را برای توسعه‌ی سیستم‌های آشکارساز نوترینو باز کرد. با توسعه‌ی چنین سیستم‌هایی مشخص شد که نوترینوها هم در خورشید و ستارگان و همچنین در انفجارهای عظیم ابرنواختری نیز به میزان بسیار فراوان ایجاد می‌شوند.

درواقع بیش از ۹۹ درصد انرژی خارق‌العاده‌ی این انفجارهای کیهانی توسط نوترینوها حمل می‌شود. امروزه می‌دانیم که نوترینو، یکی از فراوان‌ترین ذرات جهان است به‌ طوری‌که در هر پروتون، حدود یک میلیارد نوترینو در جهان وجود دارد. نوترینوها ذراتی هستند که به‌ندرت با دیگر ذرات از جمله ماده، وارد برهم‌کنش می‌شوند. آنها سه نوع هستند که با نام الکترون، میون و تاو شناخته می‌شوند. برندگان نوبل سال ۲۰۱۵، نشان دادند که وقتی نوترینوها با سرعت نزدیک به نور حرکت می‌کنند، می‌توانند تغییر نوع بدهند و مثلا از الکترون تبدیل به میون شوند. نوترینوها برخلاف چیزی که قبل از آن تصور می‌شد، کاملا فاقد جرم نیستند.

بر اساس نظریه‌ی نسبیت انیشتین، سرعت نور یک ثابت جهانی است که بخشی از معادله معروف E = mc2 را به خود اختصاص داده است. در این معادله، E انرژی، m جرم و c سرعت نور را نشان می‌دهد. این نسبیت پیش‌بینی می‌کند که اگر جسمی با سرعتی فراتر از سرعت نور حرکت کند باید جرمی بی‌نهایت بزرگ داشته باشد. به‌همین دلیل سرعت نور تاکنون به‌عنوان یک نقطه‌ی نهایی شکست‌ناپذیر شناخته شده است. یک دهه قبل، گروهی از دانشمندان پالس‌هایی از سرعت مافوق نور را کشف کردند.

هرچند این کشف تنها یک اثر اپتیکی بود، این تردید را به وجود آورد که سرعت یک فوتون مجزا به چند روش می‌تواند از سرعت نور بیشتر شود. نتایج این بررسی‌ها نشان داد که حتی یک فوتون مجزا که واحد پایه‌ی نور است همانند سرعت فاز، امواج الکترومغناطیس محدود به سرعت نور است. بر اساس نظریه‌ی نسبیت انیشتین، در سرعت فراتر از سرعت نور، جسم فرضی هم در حالت سکون و هم در حالت شتاب، تنها می‌تواند دارای یک جرم مجازی باشد. این جسم می‌تواند در فضایی حرکت کند که هنوز وجود ندارد. در حقیقت قادر است در یک فضای منفی و در یک زمان وارونه، حرکت کند و توالی زمانی‌اش از آینده به گذشته برود. به همین دلیل، بسیاری از دانشمندان معتقدند در صورتی که به سرعتی فراتر از سرعت نور برسیم، می‌توانیم با جهتی منفی در زمان حرکت کنیم. 

دانشمندان تخمین می‌زنند که نوترینوها می‌توانند از قطعه‌ای از سرب به قطر ۱۰ تریلیون کیلومتر (سال نوری) عبور کنند بدون اینکه به یک اتم آن برخورد کنند. با این حال، این ذرات همه جا هستند؛ هرچند از وجودشان آگاه نیستیم اما میلیاردها عدد از این ذرات، هر ثانیه از بدن ما رد می‌شود. مسئله‌ی نوترینوی خورشیدی از اینجا منشا می‌گیرد که مقادیر نوترینوی رصد شده در خورشید، یک سوم مقداری بود که ما انتظارش را داشتیم. به همین دلیل یا درک ما از همجوشی هسته‌­ای ناقص است و یا مسئله‌ی­ مرموزی در مورد نوترینوها وجود داشت که ما از آن بی­ خبر بودیم. تقریبا همزمان با شروع رصد میزان نوترینوی خورشید، محققان کشف کردند که الکترون دو ذره‌ی خواهر با نام­‌های میون و تاو دارد که هر کدام یک پادذره‌ی نوترینو دارند.از کلیدی‌ترین فرآیندهایی که منجر به تولید انرژی عظیم ستارگان می‌شود، واکنش «واکنش زنجیره‌ای پروتون ـ پروتون» است.

این آشکارساز، دارای ۳۷۸ هزار لیتر ترکیب تتراکلرواتیلن بود که در عمق ۱۴۷۸ متری زمین، در معدن طلای هومستیک واقع در ایالت داکوتای شمالی، مستقر شده بودند. دلیل استقرار آشکارساز در عمق زمین این بود که تاثیر پرتوهای مزاحم کیهانی و سایر نویزهای پس‌زمینه به حداقل برسد. وقوع ابرنواختر سال ۱۹۸۷، از آن جهت اهمیت داشت که فیزیک‌دانان برای نخستین بار شاهد گسیل ناگهانی نوترینوهای کیهانی از سمتی به غیر از سمت خورشید بودند؛ به‌طوری‌که اندازه‌گیری دقیق لحظه‌ی برخورد نوترینوهای دریافتی از آن جهت، ممکن بود.

این می‌توانست نشانه‌ای دال بر تبدیل میون‌ نوترینوها به نوعی دیگر باشد؛ زیرا در طول مسافت نسبتا کم جو فوقانی زمین تا سطح آشکارساز، میون‌ نوترینوهای تولیدشده در جو هم، فرصت کمتری برای دگردیسی دارند، و لذا آشکارساز کامیوکانده، که تنها به میون‌ نوترینوها حساس است، مقادیر بیشتری میون‌ نوترینو را از سمت جو زمین دریافت می‌کند. سه سال بعد، شواهد مستقلی مبنی‌بر وقوع دگردیسی نوترینوها در مشاهدات آشکارساز سادبری کانادا (SNO) هم به دست آمد. این آشکارساز قادر به تمایز الکترون‌ نوترینوها از میون‌ نوترینوها و تاو نوترینوها است. همچنین مشاهد‌ه‌های خورشید نشان می‌داد که حدود ۳۵ درصد از نوترینوهای خورشیدی از نوع الکترون‌ نوترینو هستند، و سایر آنها از دو نوع دیگر هستند.

آشکارسازهای نوترینو نمی‌توانستند نوترینوی الکترون را رصد کنند در نتیجه اگر خورشید میزان نوترینوی محاسبه شده را در سه نوع مختلف تولید می­‌کرد، راز این مسئله حل شده بود اما خورشید نمی‌توانست هر سه نوع نوترینو را تولید کند؛ زیرا واکنش ‌های همجوشی در خورشید، تنها نوترینوی الکترون را تولید می­‌کنند. تنها جواب معقول برای این مسئله، تبدیل نوترینوی الکترون به دیگر انواع آن بود اما براساس نظریه‌ی­ استاندارد فیزیک ذرات، نوترینوها بدون جرم هستند. این ذرات با سرعت نور در حال حرکت­‌اند و ممکن نیست که بتوانند به انواع دیگر نوترینوها تبدیل شوند. البته اگر نوترینوها جرم داشتند امکان تغییر نوع در آنها وجود داشت. اما مشخص شد که جرم نوترینو با جرمی که ما با آن روبه‌رو هستیم، مشابه نیست.

در نظریه‌ی استاندارد ذرات، نوترینوها توسط نیروی الکتروضعیف کنترل می­‌شوند که این نیرو، واحدسازی نیروی الکترومغناطیسی بارها، مغناطیس و نیروی هسته‌­ای ضعیف است. نظریه‌ی الکتروضعیف یک نظریه‌ی کوانتومی است پس اصل عدم قطعیت نیز در این میان وجود دارد. بنابراین، شما می­‌توانید جرم و یا نوع یک نوترینو را محاسبه کنید و نه هر دو را. در واقع ما نمی‌­توانیم بگوییم نوع خاصی از الکترون، دارای جرم خاصی است. به دلیل وجود سردرگمی کوانتومی میان جرم و نوع الکترون، ما همواره محدودیت دانستن هم‌زمان هر دوی آنها را داریم. طبق نظریه‌ی ذرات، سه نوع جرم و سه نوع نوترینو وجود دارد. چیزی که یک نوترینوی الکترون را از یک نوترینوی میون متفاوت می‌کند، ترکیب کوانتومی سه جرم مختلف آن است. 

همین امر نیز موجب می‌شود تا تشخیص نوترینوها به صورت عجیبی سخت باشد و به همین دلیل نیز فیزیک‌دانان آزمایش‌های مربوط به نوترینو را در درون زمین انجام می‌دهند زیرا بهتر است تا از تداخل عواملی مانند تابش پرتوهای کیهانی به زمین، دوری کنند. اخیرا انجام آزمایشاتی عجیب، باعث شد تا دانشمندان به وجود نوترینوی چهارمی به نام «نوترینوی استریل» پی ببرند که هیچ تعاملی با اجزای دیگر ندارد ولی می‌تواند با نوترینوهای دیگر تداخل ایجاد کند. چنین پدیده‌ای را می‌توان بسیار بزرگ به حساب آورد؛ زیرا وجود آن می‌تواند از رازهایی مانند دلیل جرم داشتن نوترینوها، طبیعت ماده‌ی تاریک، دلیل وجود ماده‌‌های بیشتر نسبت به پادماده در اوایل پدید آمدن جهان پرده بردارد.

دانشمندان خیلی صبر کرده‌اند اما ظاهرا صبر آنها به ثمر نشسته است و به نظر می‌رسد که نوترینو در درک بسیاری از معماهای فیزیک مدرن نقش کاملا حیاتی دارد؛ مثلا چرا کیهان عمدتا از ماده تشکیل شده است؟ آکادمی علمی سلطنتی سوئد، جایزه‌ی نوبل فیزیک ۲۰۱۵ را به تاکاکی کاجیتا (Takaaki Kajita) و آرتور بی مک دونالد (Arthur B. McDonald)، برای کشف ارتعاشات نوترینو اهدا کرد. نوترینوها از نظر فراوانی در کائنات، پس از فوتون‌ها، در مقام دوم قرار دارند. این ذرات در واکنش‌‌های هسته‌‌ای، مثلا در خورشید و ستاره‌ها، ایجاد می‌شوند. آنها بسیار اندک با محیط پیرامونشان برهمکنش می‌کنند، مثلا آنها می‌توانند بدون اینکه متوقف شوند از درون زمین رد شوند. هر لحظه هزاران نوترینو در حال عبور از بدن شما هستند. یک نوترینوی میون می‌تواند تبدیل به یک نوترینوی تاو شود. در واقع آنها ارتعاش می کنند. این مشاهدات توسط دو گروه تحقیقاتی، یکی در ژاپن و دیگری در کانادا انجام شد.

پس از فوتون‌ها یا همان ذرات نور، نوترینو‌ها بیشترین تعداد ماده را در کل کیهان به‌ خود اختصاص داده‌اند؛ زمین به‌طور مداوم توسط آن‌ها بمباران می‌شود. بسیاری از نوترینوها در واکنش بین تابش کیهانی و جو زمین ایجاد می‌شوند. سایر آن‌ها در اثر واکنش‌های هسته‌ای درون خورشید تولید می‌شوند. هزاران میلیارد نوترینو در هر ثانیه از درون بدن ما عبور می‌کنند و تقریبا چیزی نمی‌تواند جلوی عبور آن‌ها را بگیرد. نوترینوها دست‌نیافتنی‌ترین ذرات بنیادی طبیعت هستند. اکنون آزمایشات ادامه داشته و کارهای زیادی در سراسر جهان برای شکار نوترینوها و بررسی ویژگی‌های آن‌ها در حال انجام است.