در جست‌وجوی ارواح سرکش دنیای ذره‌ها

احسان سنایی

آیا خورشید هنوز زنده است؟ سؤال مضحکی است اما تا چهار دهه قبل حتی بزرگ‌ترین فیزیک‌دانان جهان از پاسخ قطعی این سؤال ساده اطمینانی نداشتند! خورشید می‌درخشد و می‌دانیم که درخشش آن حاصل فرآیندهای جوش هسته‌ای است؛ به‌عبارتی خورشید یک بمب هیدروژنی ناآرام و توفنده است؛ سال‌هاست که بوده است ... اما چگونه می‌توان این حقیقت را اثبات نمود و از هزاران فرسنگ‌ آن‌سوتر از درون پرخروش و خاموشش خبر گرفت؟

پاسخ این معما را در ذرات ریز و گریزانی موسوم به نوترینو بایستی جست؛ ذراتی که از آشوب هسته‌ خورشید متولد می‌شوند و بی‌برخورد با لایه‌های در‌هم‌تنیده و زمخت این ستاره به ما می‌رسند.

اما اگر قلب خورشید هم‌چنان می‌تپد، چرا کاروان نوترینوهای خورشیدی تا به این حد خلوت است؟ پاسخ این معما تا سال ۲۰۰۲ داده نشد؛ سالی که بخشی از جایزه نوبل فیزیک آن، به حل معمای نوترینو‌های خورشیدی اختصاص داده شد.

مواظب باشید! ۵۰ تریلیون نوترینوی خورشیدی همین لحظه از بدنتان عبور کرد! این ذرات خنثی و مرموز را نخستین بار فیزیکدانی به نام «ولفگانگ پائولی» در سال ۱۹۳۰ و با هدف رفع نقایص موجود در واکنش واپاشی بتا[‌‌1] پیشنهاد داد و خود آن‌ها را نوترون نامید.

اما دو سال بعد که «جیمز چادویک» ذره‌ای بسیار پرجرم‌تر و خنثی را کشف کرده و آن را «نوترون» نام نهاد، «انریکو فرمی» ایتالیایی برای پیش‌گیری از ابهام ایجاد شده، نام نوترینو را برای ذره پیشنهادی پائولی پیشنهاد داد که در زبان ایتالیایی به معنای «نوترون ریز» است.

گروهی از تکنیسین‌ها سوار بر قایق و درون استوانه عظیم آزمایشگاه سوپر-کا، در حال بررسی محفظه‌های پرشمار حاوی آب خالصند.

هجده سال بعد این ذره مشاهده شد و سی و نه سال پس از آن نیز جایزه نوبل فیزیک را به نام خود زد.

جرم نوترینو در حدود ده‌هزار بار کمتر از یک الکترون است و بدتر از آن خنثاست که این‌ دو ویژگی، تشخیص آن را فوق‌العاده دشوار می‌کند. یکی از استادانه‌ترین آزمایشات دنیای فیزیک، آزمایش «سوپرکامیوکاندی» (Super-Kamiokande) یا سوپر-کا نام دارد؛ آزمایشی سی‌ساله و متشکل از یک حفره غول‌پیکر زیرزمینی، ۵۰ هزار تن آب فوق‌مقطر و هزاران حس‌گر نوری منتظر!

دیروز اما برادر دیگر سوپر-کا در فاصله ۲۹۵ کیلومتری از او در همان خاک ژاپن متولد شد؛ آزمایشگاهی موسوم به «Tokai to Kamioka» یا T2K.

T2K قوی‌ترین پرتو مصنوعی نوترینوی تولید‌شده تاکنون را از ساحل شرقی ژاپن به سمت غرب شلیک خواهد کرد؛ پرتویی که با گذشتن از اعماق عرض خاک کشور، توسط برادر بزرگ‌تر T2K یعنی سوپر-کا واقع در حوالی ساحل غربی ژاپن مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد.

طبق اصول نسبیت خاص، سرعت سرسام‌آور نوترینوها، به معنای جرم فوق‌العاده اندک آن‌هاست و البته طبق قوانین مکانیک کوانتومی، جرم فوق‌العاده اندک یک نوترینو به او اجازه می‌دهد تا در آن واحد از یک نوع به نوع دیگر مبدل شود.

این تعاملات متقابل، عملاً مابین سه حالت مختلف انجام می‌گیرد و از‌ این‌رو می‌توان گفت به طور کلی در جهان سه نوع نوترینو وجود دارد که البته این ویژگی خصیصه مطلق هر نوترینو نیست، بل‌که این ذره مدام در حال تغییر حالت است.

این فرآیند را «نوسانات نوترونویی» خوانده و این سه دسته ذره را نیز «الکترون-نوترینو»، «موئون-نوترینو» و «تاو-نوترینو» نامیده‌اند.

بخشی از تفنگ نوترینویی آزمایشگاه T2K که به شتاب‌دهنده‌‌ای ۵۰ گیگاالکترون‌ولتی و از نوع حلقوی متصل است. این تفنگ، پرتوی پرقدرتی از نوترینوها را به سمت آزمایشگاه سوپر-کا، در فاصله ۲۹۵ کیلومتری‌اش می فرستد / عکس از: ای یاماناکا

یک الکترون-نوترینو در حین گذر از نزدیکی الکترون‌های موجود در اتم آب، به ناگاه با تبادل متقابل یک ذره ریز و باردار، الکترون را به سرعت‌های بیشتر از سرعت نور «در آب»، شتاب می‌دهد (سرعت نور در آب، کم‌تر از سرعت نور در خلأ است).

این فرآیند، فلاش آبی و ضعیفی را موسوم به «تابش چرنکوف» ایجاد می‌کند که توسط حس‌گرهای نوری دقیق، قادر به ردیابی است.

سوپر-کا از این روش برای شکار نوترینوها استفاده می‌کند؛ اما طبیعتاً نه تمامشان، بل‌که یک‌سوم از آن‌ها. تا پیش از کشف نوسانات نوترینویی، دانشمندان هرآن‌چه که در آزمایشاتی چون سوپر-کا دیده بودند را به کل نوترینوها تعمیم می‌دادند و به همین دلیل نیز نوترینوهای خورشیدی را کم‌تر از آن‌چه پیش‌بینی می‌شد، تشخیص می‌دادند.

اما آزمایشگاه SNO در سادباری کانادا با استفاده از آب سنگین می‌توانست هر سه نوع نوترینوها را تشخیص دهد و زمانی‌که انواع دیگر نوترینوهای خورشیدی نیز مدنظر قرار داده شدند، دریافتیم که خورشید زنده است؛ اما نوترینوهایش در طول راه از حالتی به حالت دیگر عوض می‌شوند.

شبیه‌سازی کامپیوتری برخورد چندین نوترینو به تانک‌های کروی حاوی آب سنگین آزمایشگاه SNO در کانادا که نهایتاً موفق به حل معمای نوترینوهای خورشیدی شد.

با وجود کشف اخیر این نمایش خیمه‌شب‌بازی نوترینوها، درک سازوکار نوسانات نوترینویی هم‌چنان در هاله‌ای از ابهام است و هم‌اکنون از اساسی‌ترین اهداف فیزیک‌دانان به شمار می‌رود.

آزمایشگاه سوپر-کا واقع در عمق یک کیلومتری زمین و مستقر در حفره یک معدن متروکه در حوالی شهر کامیوکای ژاپن است. قلب این آزمایشگاه، تانک آب استوانه‌ای‌شکل و غول‌پیکری از جنس فولاد ضدزنگ و حاوی ۵۰ هزار تن آب فوق‌العاده خالص است که سنگینی نگاه ۱۱ هزار حس‌گر نوری را در گرداگرد خود احساس می کند.

خبر نخستین برخورد پرتوهای نوترینویی تولید شده توسط T2Kبا مولکول‌های آب موجود در آزمایشگاه سوپر-کا، تنها ساعاتی پس از نخستین برخورد موفقیت‌آمیز پرتوهای پروتونی شتاب‌دهنده LHC منتشر گردید.

به‌راستی می‌توان گفت هم‌اکنون در عصر طلایی فیزیک قرار داریم؛ چراکه درک طبیعت شگفت‌انگیز نوترینوها هم‌چون دیگر ذرات بنیادین، نه تنها به پیش‌برد فرضیات مدل استاندارد ذرات بنیادی کمک خواهد کرد؛ بل‌که به سؤالات سنگین بسیاری از جمله دلیل عدم وجود پادماده در جهان ما نیز پاسخ خواهد داد.

پاورقی:

۱- تجزیه یک نوترون به یک الکترون، پروتون و پادنوترینو را واپاشی بتای منفی و فرآیند اعمال انرژی به یک پروتون و تبدیل آن به یک نوترون، یک پوزیترون و یک نوترینو را واپاشی بتای مثبت می‌نامند.