ساخت دستگاهی شگفت‌انگیز برای ردیابی نوترینوها؛ ذراتی ناشناخته و بسیار کمیاب

دانشمندان به‌تازگی با استفاده از دستگاهی که اندازه‌ی آن به‌سختی می‌تواند بزرگ‌تر از یک بطری نوشیدنی معمولی باشد، موفق شده‌اند برای نخستین بار برخورد فیزیکی نوترینوها با هسته‌ی یک اتم را مشاهده کنند.

یافته‌ی اخیر می‌تواند راهی جدید پیش روی فیزیکدانان برای انجام کاوش‌های بیشتر روی این ذره‌ی شبح‌مانند بگذارد؛ روندی که در صورت رسیدن به نتیجه می‌تواند به ما در فهم و دریافت شماری از بزرگ‌ترین رازهای جهان هستی کمک کند.

نوترینوها به‌آسانی می‌توانند با آشکارگری موسوم به نوترینو اَلی در دسترس باشند. آشکارگر فوق در واقع یک نواره‌ی انبارمانند در زیر منبع نوترونی پراش (Spallation Neutron Source) در آزمایشگاه ملی اوک راید در ایالت تنسی است.

دیواره‌های ضخیم بتنی و آهنی در آن محل می‌توانند بارش‌های نوترون‌های سنگین را در این مجموعه فیلتر کنند؛ اما این دیواره‌ها برای متوقف کردن نوترینوهای کوچک عبورکننده از میان چنین آتش‌بازی‌های ناپایداری، نمی‌توانند کار خاصی بکنند و در نتیجه نوترینوها از آن‌ها عبور می‌کنند.

برای اعضای گروه همکاری موسوم به COHERENT که در این سایت پژوهشی کار می‌کنند، یافتن راهی برای آشکار ساختن نشانه‌هایی ریز از یک نوترینو و برخوردهای آن‌ها با ذره‌های سازنده‌ی هسته‌ی یک اتم، ردیابی بسیار کامل و پراهمیتی تلقی می‌شود. ژوان کولار از دانشگاه شیکاگو در این مورد می‌گوید:

نوترینوها یکی از راز‌آلودترین ذرات هستند.

نوترینوها دارای بار الکتریکی نیستند؛ یعنی اینکه آن‌ها به‌سادگی می‌توانند به میدان‌های مغناطیسی بی‌اعتنایی کنند! میدان‌هایی که به‌طور کامل بر رفتار ذره‌هایی همچون الکترون‌ها و پروتون‌ها تأثیر می‌گذارند.

این ذره‌ها که در اثر برخوردهای پرانرژی و انتقال‌هایی با سرعت نزدیک به‌ سرعت نور به وجود می‌آیند، می‌توانند مسافت‌های وسیعی را بدون تحت تأثیر قرار گرفتن توسط مواد واقع در مسیرشان، سپری کنند. همه‌ی این ویژگی‌ها باعث می‌شود ما نوترینوها را به‌عنوان ذراتی به‌شمار آوریم که کاملا ارزش بررسی و پژوهش دارند و اگر ما بخواهیم در مورد مسافت‌های دوردست جهان هستی دانش بیشتری به دست آوریم، نمی‌توانیم از نوترینوها چشم بپوشیم.

در کنار تمامی گفته‌های فوق باید به یک نکته‌ی منفی اشاره کنیم؛ اینکه نوترینوها به‌راحتی قابل ردیابی و بررسی نیستند. کولار می‌گوید:

ما از کنار موارد زیادی درباره نوترینوها با بی‌اعتنایی می‌گذریم. ما می‌دانیم که آن‌ها دارای جرم هستند؛ ولی نمی‌دانیم که جرمشان دقیقا چه مقدار است.

جرم عملا خصوصیتی است که تمامی ذرات دارند و می‌دانیم که مقدار آن برای نوترینوها به‌هیچ‌عنوان زیاد نیست. فردریک رینز، برنده‌ی نوبل فیزیک، یک بار اشاره کرده بود که جرم آن‌ها احتمالا کوچک‌ترین میزان از کمیتی است که نوع بشر تابه‌حال توانسته تصور کند.

با اینکه جرم‌ این ذره‌ها مطلقا زیاد نیست، حتی در مقیاس اتمی؛ اما اگر فرد یا گروهی موفق به تعیین آن شوند مسلما شایسته‌ی جایزه‌ی نوبل خواهند بود.

باید اشاره کنیم که هر نوترینو در حالتی میانی و عجیب قرار دارد که از آن با تعبیر برهم‌نهی سه مزه یاد می‌شود و هر سه مورد از این مزه‌ها هم دارای جرم مختص خود هستند. یک مزه‌ی چهارم احتمالی هم در این میان می‌تواند وجود داشته باشد که شاید ردگیری آن از این سه مزه نیز دشوارتر باشد و در عین حال به‌عنوان گزینه‌ای مطرح است که در صورت شناسایی می‌تواند دارای جرم بیشتری در قیاس با سه هم‌خانواده‌ی دیگر خود باشد.

شناخت بهتر ماهیت آن جرم‌ها و میزان آن‌ها می‌تواند سرنخ‌هایی در مورد چگونگی کارکرد چهار نیروی بنیادی جهان هستی شامل گرانش، نیروی الکترومغناطیسی و نیروهای ضعیف و قوی هسته‌ای پیش روی ما بگذارد.

 اغلب روش‌های مرتبط با آشکارسازی نوترینوها متکی به برخی راهکارهای شناسایی هوشمندانه هستند. مثلا با در نظر داشتن اینکه نوترینوها می‌توانند توسط اتم‌ها به دام بیفتند و اینکه در ادامه می‌توانند دچار واپاشی و تبدیل به عنصر دیگری شوند، می‌توان گام‌هایی را در این مسیر برداشت.

این روش رادیوشیمیایی برای آشکارسازی نوترینوهای کم‌انرژی مناسب است؛ اما اجرای آن چندین هفته طول می‌کشد و از این‌رو ما نمی‌توانیم کار قابل توجهی در مورد محاسبه‌ی زمان یا جهت‌گیری تساطع آن‌ها صورت دهیم.

روش‌های دیگر نیز دارای مزایا و معایب خاص خودشان هستند؛ برخی از آن‌ها اطلاعاتی در مورد جهت‌گیری می‌دهند و در عوض برای شناخت ماهیت آن کارآمد نیستند و برخی دیگر نیز مستلزم وجود تشکیلات بزرگ و فناوری‌های پیچیده هستند.

پژوهشگران تا به امروز روشی برای ردیابی پدیده‌ای که از آن به‌نام پاشش به‌هم‌پیوسته‌ی نوترینویی یاد می‌شود، در اختیار نداشته‌اند. البته خود این برهم‌کنش حدود نیم‌قرن پیش از این پیش‌بینی شده بود؛ اما به دلیل طبیعت پنهان نوترینو، بسیار دشوار است که از نظر تجربی نیز آن را اثبات کنیم.

در سال ۱۹۷۴ بود که یکی از فیزیکدانان آزمایشگاه فرمیلب به نام دانیل فریدمن، پیش‌بینی کرد که نوترینوها می‌توانند از نظر فیزیکی به هسته‌های اتم برخورد کنند و باعث ایجاد تکان یا عقب‌نشینی در آن شوند. او حتی امید زیادی به اینکه ما روزی قادر به اندازه‌گیری چنین نوسانی باشیم نیز نداشت و بر این باور بود که:

پیشنهاد ما شاید گستاخانه باشد؛ زیرا محدودیت‌های اجتناب‌ناپذیر در نرخ برهم‌کنش‌ها، جدایش آن‌ها و مکث‌های میان آن‌ها باعث ایجاد مشکلات اساسی در آزمایش می‌شود.

 اکنون به لطف وجود منابع مناسب نوترینو و همچنین انتخاب مواد مناسب به‌عنوان آشکارساز، برخی از آن محدودیت‌های آزمایشی از بین رفته‌اند. کولار می‌گوید:

شما می‌توانید از آشکارسازهای رضایت‌بخش‌تری استفاده کنید؛ اما به خاطر انتخاب منبع نامناسب نوترینو، به نتیجه نرسید.

هدایت درست این آشکارساز بسیار حیاتی بود؛ اما از طرفی داشتن هسته‌های کوچک‌تر می‌توانست باعث آسان‌تر شدن رهیابی اثرات ناشی از تصادم شود. به گفته‌ی کولار:

تصور کنید نوترینوها شبیه توپ‌های پینگ‌پونگی هستند که به یک توپ بولینگ برخورد می‌کنند. آن‌ها تنها تکانه‌ی بسیار کوچکی به توپ بزرگ وارد خواهند کرد.

 برتری اصلی روش جدید این گروه در سادگی نسبی آن است. در روش آن‌ها نیازی به تانک‌های بزرگ یا مخازن خنک‌سازی یا پنل‌های سیم‌کشی پیچیده نیست. آشکارساز آن‌ها تنها حدود ۱۴.۵ کیلوگرم جرم دارد و اندازه‌ی آن تقریبا شبیه یک بطری نوشیدنی معمولی است.

داشتن چنین آشکارساز کوچکی می‌تواند ما را برای انتخاب محل‌های مناسب‌تر و منابع نوترینوی بهتر، توانمند کند؛ محل‌هایی همانند نیروگاه‌های هسته‌ای مستعد این پدیده هستند.

انجام آزمایش‌های بعدی در آینده با استفاده از روش جدید می‌تواند دیدگاه جدیدی در مورد چگونگی برهم‌کنش نوترینوها با سایر ذرات زیراتمی پیش روی دانشمندان بگذارد.

آن‌ها همچنین می‌توانند گام‌هایی را در مسیر شناسایی ماده‌ی تاریکی بردارند که چیزی حدود ۸۵ درصد از ماده‌ی موجود در جهان هستی را تشکیل داده است.

نوترینوها در حین انجام برهم‌کنش‌های الکترومغناطیسی کاملا خنثی و تاریک می‌مانند و از این‌رو، آشکارسازی آن‌ها می‌تواند روش‌هایی بهتری در مسیر یافتن گزینه‌هایی قابل قبول‌تر برای ماده‌ی تاریک ارائه کند.

اگر ما قصد داشته باشیم به ابعاد تاریک و رازآلود جهان و این پدیده‌های ریز و شبح‌مانند سرک بکشیم، به‌طور قطع به چنین ابزارهای شگفت‌انگیز و کارآمدی نیاز خواهیم داشت.

دستاوردهای این پژوهش در ژورنال ساینس منتشر شده است.