نوترينو: اسرارآميزترين و عجيب‌ترين ذره‌ي بنيادي شناخته شده

نوترينوها با ساير مواد واكنش‌پذيري بسيار كمي دارند و مي‌توانند از بين ذرات به‌ راحتي عبور كنند. نوترينوها از سوي ستاره‌هاي ديگر در تمامي جهات ساطع مي‌شوند و از يك سمت وارد سياره‌ي زمين و از سمت ديگر بدون كوچك‌ترين مانعي، خارج مي‌شوند. ايده‌ي نوترينو از زماني به وجود آمد كه ولفگانگ پائولي (Wolfgang Pauli) چاره‌اي براي حفظ قانون پايستگي انرژي در توليد ذرات بتا انديشيد. پائولي هنگامي كه براي نخستين بار تئوري خود را ارائه داد، نوترون هنوز كشف نشده بود. ولفگانگ پائولي در سال 1930، براي نخستين بار اين ذرات را پيش‌بيني كرده بود. در آن زمان آزمايش‌هايي كه روي واپاشي هسته‌اي بتا انجام شده بود با قانون پايستگي انرژي و تكانه، تناقض داشت. او معتقد بود كه در اين آزمايش، ذره‌اي مرموز توليد مي‌شود كه بدون برهم‌كنش با دستگاه‌هاي آشكارساز، مقداري از انرژي و تكانه‌ي واكنش را با خود مي‌برد.

بيشتر نوترينوهايي كه از زمين عبور مي‌كنند، بر اثر فرآيندهاي خورشيدي به‌وجود مي‌آيند و در هر ثانيه، از هر سانتي‌متر مربع زمين، حدود ۶۵ ميليارد نوترينوي خورشيدي عبور مي‌كنند. در سال ۱۹۱۴، جيمز چادويك به مسئله‌ي ابهام‌آميزي مربوط به انرژي حركتي ذراتي كه از مواد راديواكتيو صادر مي‌شوند برخورد كرد؛ ولي نتوانست به نتيجه‌ي خاصي دست پيدا كند. ولفگانگ پائولي در سال ۱۹۳۰ ، حتي قبل از كشف نوترون‌ ايده‌ي وجود نوترينو را مطرح كرد ولي نتوانست صحبت‌هاي خود را اثبات كند و معماي چادويك همچنان نامشخص باقي ماند تا اينكه در سال ۱۹۵۶ فردريك رينز به همراه كلايد كووان، توانست وجود نوترينوها را اثبات كند. فردريك رينز به دليل كشف نوترينوها در سال ۱۹۹۵، موفق به دريافت جايزه نوبل فيزيك شد. اما اولين جايزه‌ي نوبل فيزيك در رابطه با نوترينوها، در سال ۱۹۸۸ به ليان لدرمن، ملوين شوارتز و جك اشتينبرگر، تعلق گرفته بود.

اين سه فيزيكدان در سال ۱۹۶۲ موفق به كشف نوع دومي از نوترينوها شده بودند. در چارچوب مدل استاندارد ذرات، نوترينوها در كنار الكترون‌ها و ميون‌ها، كه هيچ‌يك از آنها نقشي در ساختاربندي هسته‌ي اتم ندارند، به لپتون‌‌ها شكل مي‌دهند. كوون و رينز موفق به كشف نوترينوهايي از نسل اول لپتون‌ها، به‌نام الكترون‌ نوترينو شده بودند؛ در حالي كه لدرمن، شوارتز و اشتينبرگر نوترينوهايي از نسل دوم لپتون‌ها به‌نام ميون‌ نوترينو را كشف كرده بودند. دستاورد راينز و كوان، گام مهمي در شناخت فيزيك نوترينوها محسوب مي‌شد. اين دستاورد، راه را براي توسعه‌ي سيستم‌هاي آشكارساز نوترينو باز كرد. با توسعه‌ي چنين سيستم‌هايي مشخص شد كه نوترينوها هم در خورشيد و ستارگان و همچنين در انفجارهاي عظيم ابرنواختري نيز به ميزان بسيار فراوان ايجاد مي‌شوند.

درواقع بيش از ۹۹ درصد انرژي خارق‌العاده‌ي اين انفجارهاي كيهاني توسط نوترينوها حمل مي‌شود. امروزه مي‌دانيم كه نوترينو، يكي از فراوان‌ترين ذرات جهان است به‌ طوري‌كه در هر پروتون، حدود يك ميليارد نوترينو در جهان وجود دارد. نوترينوها ذراتي هستند كه به‌ندرت با ديگر ذرات از جمله ماده، وارد برهم‌كنش مي‌شوند. آنها سه نوع هستند كه با نام الكترون، ميون و تاو شناخته مي‌شوند. برندگان نوبل سال ۲۰۱۵، نشان دادند كه وقتي نوترينوها با سرعت نزديك به نور حركت مي‌كنند، مي‌توانند تغيير نوع بدهند و مثلا از الكترون تبديل به ميون شوند. نوترينوها برخلاف چيزي كه قبل از آن تصور مي‌شد، كاملا فاقد جرم نيستند.

بر اساس انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت انيشتين، سرعت نور يك ثابت جهاني است كه بخشي از معادله معروف E = mc2 را به خود اختصاص داده است. در اين معادله، E انرژي، m جرم و c سرعت نور را نشان مي‌دهد. اين نسبيت پيش‌بيني مي‌كند كه اگر جسمي با سرعتي فراتر از سرعت نور حركت كند بايد جرمي بي‌نهايت بزرگ داشته باشد. به‌همين دليل سرعت نور تاكنون به‌عنوان يك نقطه‌ي نهايي شكست‌ناپذير شناخته شده است. يك دهه قبل، گروهي از دانشمندان پالس‌هايي از سرعت مافوق نور را كشف كردند.

هرچند اين كشف تنها يك اثر اپتيكي بود، اين ترديد را به وجود آورد كه سرعت يك فوتون مجزا به چند روش مي‌تواند از سرعت نور بيشتر شود. نتايج اين مطالعه‌ها نشان داد كه حتي يك فوتون مجزا كه واحد پايه‌ي نور است همانند سرعت فاز، امواج الكترومغناطيس محدود به سرعت نور است. بر اساس انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت انيشتين، در سرعت فراتر از سرعت نور، جسم فرضي هم در حالت سكون و هم در حالت شتاب، تنها مي‌تواند داراي يك جرم مجازي باشد. اين جسم مي‌تواند در فضايي حركت كند كه هنوز وجود ندارد. در حقيقت قادر است در يك فضاي منفي و در يك زمان وارونه، حركت كند و توالي زماني‌اش از آينده به گذشته برود. به همين دليل، بسياري از دانشمندان معتقدند در صورتي كه به سرعتي فراتر از سرعت نور برسيم، مي‌توانيم با جهتي منفي در زمان حركت كنيم. 

دانشمندان تخمين مي‌زنند كه نوترينوها مي‌توانند از قطعه‌اي از سرب به قطر ۱۰ تريليون كيلومتر (سال نوري) عبور كنند بدون اينكه به يك اتم آن برخورد كنند. با اين حال، اين ذرات همه جا هستند؛ هرچند از وجودشان آگاه نيستيم اما ميلياردها عدد از اين ذرات، هر ثانيه از بدن ما رد مي‌شود. مسئله‌ي نوترينوي خورشيدي از اينجا منشا مي‌گيرد كه مقادير نوترينوي رصد شده در خورشيد، يك سوم مقداري بود كه ما انتظارش را داشتيم. به همين دليل يا درك ما از همجوشي هسته‌­اي ناقص است و يا مسئله‌ي­ مرموزي در مورد نوترينوها وجود داشت كه ما از آن بي­ خبر بوديم. تقريبا همزمان با شروع رصد ميزان نوترينوي خورشيد، محققان كشف كردند كه الكترون دو ذره‌ي خواهر با نام­‌هاي ميون و تاو دارد كه هر كدام يك پادذره‌ي نوترينو دارند.از كليدي‌ترين فرآيندهايي كه منجر به توليد انرژي عظيم ستارگان مي‌شود، واكنش «واكنش زنجيره‌اي پروتون ـ پروتون» است.

اين آشكارساز، داراي ۳۷۸ هزار ليتر تركيب تتراكلرواتيلن بود كه در عمق ۱۴۷۸ متري زمين، در معدن طلاي هومستيك واقع در ايالت داكوتاي شمالي، مستقر شده بودند. دليل استقرار آشكارساز در عمق زمين اين بود كه تاثير پرتوهاي مزاحم كيهاني و ساير نويزهاي پس‌زمينه به حداقل برسد. وقوع ابرنواختر سال ۱۹۸۷، از آن جهت اهميت داشت كه فيزيك‌دانان براي نخستين بار شاهد گسيل ناگهاني نوترينوهاي كيهاني از سمتي به غير از سمت خورشيد بودند؛ به‌طوري‌كه اندازه‌گيري دقيق لحظه‌ي برخورد نوترينوهاي دريافتي از آن جهت، ممكن بود.

اين مي‌توانست نشانه‌اي دال بر تبديل ميون‌ نوترينوها به نوعي ديگر باشد؛ زيرا در طول مسافت نسبتا كم جو فوقاني زمين تا سطح آشكارساز، ميون‌ نوترينوهاي توليدشده در جو هم، فرصت كمتري براي دگرديسي دارند، و لذا آشكارساز كاميوكانده، كه تنها به ميون‌ نوترينوها حساس است، مقادير بيشتري ميون‌ نوترينو را از سمت جو زمين دريافت مي‌كند. سه سال بعد، شواهد مستقلي مبني‌بر وقوع دگرديسي نوترينوها در مشاهدات آشكارساز سادبري كانادا (SNO) هم به دست آمد. اين آشكارساز قادر به تمايز الكترون‌ نوترينوها از ميون‌ نوترينوها و تاو نوترينوها است. همچنين مشاهد‌ه‌هاي خورشيد نشان مي‌داد كه حدود ۳۵ درصد از نوترينوهاي خورشيدي از نوع الكترون‌ نوترينو هستند، و ساير آنها از دو نوع ديگر هستند.

آشكارسازهاي نوترينو نمي‌توانستند نوترينوي الكترون را رصد كنند در نتيجه اگر خورشيد ميزان نوترينوي محاسبه شده را در سه نوع مختلف توليد مي­‌كرد، راز اين مسئله حل شده بود اما خورشيد نمي‌توانست هر سه نوع نوترينو را توليد كند؛ زيرا واكنش ‌هاي همجوشي در خورشيد، تنها نوترينوي الكترون را توليد مي­‌كنند. تنها جواب معقول براي اين مسئله، تبديل نوترينوي الكترون به ديگر انواع آن بود اما براساس انديشه متخصصينيه‌ي­ استاندارد فيزيك ذرات، نوترينوها بدون جرم هستند. اين ذرات با سرعت نور در حال حركت­‌اند و ممكن نيست كه بتوانند به انواع ديگر نوترينوها تبديل شوند. البته اگر نوترينوها جرم داشتند امكان تغيير نوع در آنها وجود داشت. اما مشخص شد كه جرم نوترينو با جرمي كه ما با آن روبه‌رو هستيم، مشابه نيست.

در انديشه متخصصينيه‌ي استاندارد ذرات، نوترينوها توسط نيروي الكتروضعيف كنترل مي­‌شوند كه اين نيرو، واحدسازي نيروي الكترومغناطيسي بارها، مغناطيس و نيروي هسته‌­اي ضعيف است. انديشه متخصصينيه‌ي الكتروضعيف يك انديشه متخصصينيه‌ي كوانتومي است پس اصل عدم قطعيت نيز در اين ميان وجود دارد. بنابراين، شما مي­‌توانيد جرم و يا نوع يك نوترينو را محاسبه كنيد و نه هر دو را. در واقع ما نمي‌­توانيم بگوييم نوع خاصي از الكترون، داراي جرم خاصي است. به دليل وجود سردرگمي كوانتومي ميان جرم و نوع الكترون، ما همواره محدوديت دانستن هم‌زمان هر دوي آنها را داريم. طبق انديشه متخصصينيه‌ي ذرات، سه نوع جرم و سه نوع نوترينو وجود دارد. چيزي كه يك نوترينوي الكترون را از يك نوترينوي ميون متفاوت مي‌كند، تركيب كوانتومي سه جرم مختلف آن است. 

همين امر نيز موجب مي‌شود تا تشخيص نوترينوها به صورت عجيبي سخت باشد و به همين دليل نيز فيزيك‌دانان آزمايش‌هاي مربوط به نوترينو را در درون زمين انجام مي‌دهند زيرا بهتر است تا از تداخل عواملي مانند تابش پرتوهاي كيهاني به زمين، دوري كنند. اخيرا انجام آزمايشاتي عجيب، باعث شد تا دانشمندان به وجود نوترينوي چهارمي به نام «نوترينوي استريل» پي ببرند كه هيچ تعاملي با اجزاي ديگر ندارد ولي مي‌تواند با نوترينوهاي ديگر تداخل ايجاد كند. چنين پديده‌اي را مي‌توان بسيار بزرگ به حساب آورد؛ زيرا وجود آن مي‌تواند از رازهايي مانند دليل جرم داشتن نوترينوها، طبيعت ماده‌ي تاريك، دليل وجود ماده‌‌هاي بيشتر نسبت به پادماده در اوايل پديد آمدن جهان پرده بردارد.

دانشمندان خيلي صبر كرده‌اند اما ظاهرا صبر آنها به ثمر نشسته است و به انديشه متخصصين مي‌رسد كه نوترينو در درك بسياري از معماهاي فيزيك مدرن نقش كاملا حياتي دارد؛ مثلا چرا كيهان عمدتا از ماده تشكيل شده است؟ آكادمي علمي سلطنتي سوئد، جايزه‌ي نوبل فيزيك ۲۰۱۵ را به تاكاكي كاجيتا (Takaaki Kajita) و آرتور بي مك دونالد (Arthur B. McDonald)، براي كشف ارتعاشات نوترينو اهدا كرد. نوترينوها از انديشه متخصصين فراواني در كائنات، پس از فوتون‌ها، در مقام دوم قرار دارند. اين ذرات در واكنش‌‌هاي هسته‌‌اي، مثلا در خورشيد و ستاره‌ها، ايجاد مي‌شوند. آنها بسيار اندك با محيط پيرامونشان برهمكنش مي‌كنند، مثلا آنها مي‌توانند بدون اينكه متوقف شوند از درون زمين رد شوند. هر لحظه هزاران نوترينو در حال عبور از بدن شما هستند. يك نوترينوي ميون مي‌تواند تبديل به يك نوترينوي تاو شود. در واقع آنها ارتعاش مي كنند. اين مشاهدات توسط دو گروه تحقيقاتي، يكي در ژاپن و ديگري در كانادا انجام شد.

پس از فوتون‌ها يا همان ذرات نور، نوترينو‌ها بيشترين تعداد ماده را در كل كيهان به‌ خود اختصاص داده‌اند؛ زمين به‌طور مداوم توسط آن‌ها بمباران مي‌شود. بسياري از نوترينوها در واكنش بين تابش كيهاني و جو زمين ايجاد مي‌شوند. ساير آن‌ها در اثر واكنش‌هاي هسته‌اي درون خورشيد توليد مي‌شوند. هزاران ميليارد نوترينو در هر ثانيه از درون بدن ما عبور مي‌كنند و تقريبا چيزي نمي‌تواند جلوي عبور آن‌ها را بگيرد. نوترينوها دست‌نيافتني‌ترين ذرات بنيادي طبيعت هستند. اكنون آزمايشات ادامه داشته و كارهاي زيادي در سراسر جهان براي شكار نوترينوها و مطالعه ويژگي‌هاي آن‌ها در حال انجام است.