برای اولین بار، ذره‌ی نوترینو در پژوهشکده سرن شناسایی شد

این ذرات، با همه‌ی این تفاسیر، راز‌هایی در سینه دارند که در صورت افشا می‌تواند به سؤالات بنیادی ما در مورد منشأ هستی پاسخ دهد.

تاکنون شناسایی نوترینوها به طرز شگفت‌آوری سخت بوده است. اما این شرایط ممکن است به‌زودی تغییر کند. برای اولین بار دانشمندان نشان داده‌اند که می‌توان از شتاب‌دهنده‌های ذرات،‌ به عنوان مثال شتاب‌دهنده‌ی موجود در سرن (CERN)، برای آشکارسازی دسته‌جمعی این ذرات به کار گرفت. به‌طور ویژه در مورد نوترینوی تاو (𝞃)، این یافته می‌تواند منجر به افزایش موارد آشکار‌شده از تعداد انگشت‌شمار به هزاران مورد شود.

نتایج این تحقیقات به‌تازگی در نشریه Physical Review D به چاپ رسیده است.

روزانه هزاران نوترینو در شتاب‌دهنده‌ی LHC درسرن تولید می‌شود. اما دانشمندان هنوز موفق به آشکارسازی آن‌ها نشده‌اند.

شتاب‌دهنده‌ها‌ی ذرات، از جمله شتاب‌دهنده‌ی LHC در سرن، به منظور برخورد دادن پرتو‌هایی از ذرات هادرون (Hadron) تقریبا با سرعت نور به یکدیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. در علم فیزیک، به ذراتی کوچکتر از اتم که از چند کوارک تشکیل شده‌اند، هادرون گفته می‌شود. بر اثر این برخورد‌ها ذرات زیراتمی از جمله کوارک‌ها و بوزون‌ها پخش می‌شوند و توسط آشکارساز‌ها (به عنوان مثال آشکارساز ATLAS) رؤیت می‌شوند. نوترینو‌ها همیشه جزئی از این فرایند بوده‌اند اما، تا قبل از این پژوهش، آزمایشی به منظور آشکارسازی آن‌ها طراحی نشده بود.

بخش مهمی از این مشکل به این دلیل است که در LHC، از آهنربا برای هدایت ذرات در طول مسیر منحنی‌شکل این شتاب‌دهنده استفاده شده است و آشکارساز‌ها نیز در طول این مسیر جایگذاری شده‌اند. اما این راهنماهای مغناطیسی تأثیری بر ذرات بدون بار، مانند نوترینو، ندارد. در نتیجه نوترینوها، مانند اتومبیلی با لاستیک ترکیده و در حال دریفت ، به حاشیه‌ی این مسیر آشکارسازی رانده می‌شوند.

اما پروفسور جاناتان فنگ، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا ارواین، ایده‌ای برای ضبط داده‌ی جدیدی در این آزمایش‌ها ارائه داده است؛‌ آزمایش جستجوی مستقیم (FASER: ForwArd Search ExpeRiment).

فنگ، پژوهشگر اصلی این پروژه، در ابتدا ایده‌ی FASER را به عنوان روشی نوین برای آشکارسازی دسته‌‌ای کاملا جدید از ذرات «ابر‌متقارن» مطرح کرد. نظریه‌ی ابرتقارن در علم فیزیک به این معنی است: وقتی ذرات بنیادی در ابتدای جهان شکل گرفتند، ابر‌ذره‌ای نیز متناظر آن‌ها شکل گرفته است. به عنوان مثال برای هر نوع بوزون، یک نوع فرمیون متناظر وجود دارد و بالعکس. درحالیکه این دستاوردهای کلیدی FASER ممکن است در آینده حاصل شود، نتایج اولیه این آزمایش‌ که در نوامبر امسال منتشر شد، آشکارسازی شش نوترینو در LHC را تأیید می‌کند.

همان‌طور که در بالا به آن اشاره شد، نوترینو ذره‌ای به‌شدت سبک (حداقل شش میلیون برابر سبک‌تر از الکترون) است که هیچ بار الکتریکی و تقریبا هیچ برهم‌کنشی (مطابق دانش اندک بشر!) با ماده ندارد. به همین دلیل است که این ذره می‌تواند از میان بدن ما، بدون اینکه متوجه شویم، عبور‌ کند.

آزمایش‌های مربوط به نوترینو تاکنون بسیار پرخرج و غیرمتعارف بوده‌اند. مثلا در سوپر-کامیوکانده در ژاپن، هزاران تن آشکارساز آب و نور به کار رفته‌است.

واکنش‌های هسته‌ای با انرژی بالا که در قلب خورشید صورت می‌گیرد، بارانی از نوترینوها را به سمت زمین هدایت می‌کند. همچنین این ذرات ریز بر اثر فروپاشی اتم‌ها، اشعه‌های کیهانی و برخورد پرتو ذرات زمینی هم به وجود می‌آیند. با وجود فراوانی نوترینو‌ها‌، یافتن آن‌ها کار بسیار دشواری است.

در زمینه‌‌ی مطالعه‌ی نوترینو‌ها، آزمایش‌های مهمی در شتاب‌دهنده‌ی مینی‌بون در آزمایشگاه فرمی ایلینویز، ردیاب نوترینو‌ی Ice Cube در قطب جنوب و رصدخانه سوپر-کامیوکانده در ژاپن در جریان است. این تلاش‌ها همانند FASER به تشخیص اجزای تشکیل‌دهنده‌ی نوتیرینو تمرکز دارند.

این آزمایش در مقایسه با پیشینیان خود (مثلا سوپر-کامیوکانده به ۵۰هزار تن آب نیاز دارد)، آزمایشی کم‌هزینه‌تر و کوچک‌تری است. اولین نسخه‌ی FASER که از وسایل باقی‌مانده در سرن ساخته شده، تنها ۲۹ کیلوگرم، تقریبا هم‌اندازه‌ی سگی با جسه‌ی متوسط، جرم دارد.

این تیم تحقیقاتی در نظر دارد تا سال ۲۰۲۲ نسخه‌ی نهایی FASER را که ۱۱۰۰ کیلوگرم جرم دارد و نسبت به نسخه‌ی اولیه قدرتمندتر و حساس‌تر است، تولید کند. اما بدون توجه‌ به ابعاد، FASER برای شکار نوترینو‌ها از یک تکنولوژی قدیمی فیلم‌برداری به نام تشخیص امولسیون طی مراحل زیر بهره‌ می‌برد:

• صفحات قلع و تنگستن با لایه‌هایی از امولاسیون (ماده‌ای چسبناک و حساس به نور) به یکدیگر ساندویچ می‌شوند.
• نوترینو‌ها که در طول LHC در گردش هستند به این صفحات برخورد می‌کنند و به ذرات جدیدی تجزیه می‌شوند.
• فیزیکدانان از آثار ایجاد شده روی لایه‌ی امولاسیون به وسیله‌ی این ذرات، تصویری تولید می‌کنند.
• با مطالعه‌ی انرژی این آثار، پژوهشگران قادر خواهند بود طعم نوترینو را تشخیص دهند؛ تاو، میون (moun) یا الکترون. همچنین می‌توانند تشخیص دهند که این ذره نوترینو یا ضد‌نوترینو بوده است.

موقعیت مکانی FASER در شتاب‌دهنده‌ی LHC پژوهشکده‌ی سرن

نوترینوها سه نوع، یا به گفته‌ی فیزیکدانان سه طعم، دارند: تاو، میون و الکترون. این عناوین به ما می‌گوید که نوترینو پس از برخورد با هسته‌ی اتم به چه اجزایی تجزیه‌ می‌شود. نوترینوها در کنار آزاد کردن یک پروتون و ضدنوترینو طی این فرایند که واپاشی بتا‌ی منفی نام دارد، نوترینوها میون، تاو یا الکترون نیز آزاد می‌کنند.

در میان این طعم‌ها، نوترینوی تاو نادرترین گونه و شناسایی آن چالش‌ برانگیزتر است. قبل از آزمایش FASER تنها ۱۰ نوترینوی تاو ، مربوط به آزمایشی که ۲۱ سال پیش در آزمایشگاه فرمی ایالت ایلینویز انجام شده، مشاهده شده بود. شناسایی چند نوترینوی تاو به وسیله‌ی آزمایش‌های اولیه FASER نوید شناسایی بیشتر این طعم از نوترینو‌ها را در افقی نزدیک می‌دهد.

نسخه‌ی اولیه FASER

علاوه بر تمایز قایل شدن بین طعم‌های مختلف نوترینو، FASER همچنین نوترینو‌ها و ضدنوترینو‌های برخورد کرده به آشکارسازش را نیز از یکدیگر تشخیص می‌دهد. ضد نوترینو در اصل یک نوترینو با «بار مخالف» است. اگرچه نوترینو و ضدنوترینو هر دو از دید الکترومغناطیس بدون بار هستند،‌ «بار مخالف» به عدد لپتون (Lepton) ذرات اشاره دارد؛ عددی کوانتومی برای توصیف ویژگی های ذرات زیراتمی.

اگر این موضوع برای شما عجیب به نظر می‌رسد به این دلیل است که واقعا موضوع عجیبی است! خود دانشمندان نیز هنوز مطمئن نیستند که دقیقا چه چیزی نوترینو را از ضدنوترینو متمایز می‌کند. با این وجود مطالعه‌ی تعداد بیشتری ضدنوترینو، که به وسیله‌ی FASER محقق خواهد شد، قدم بزرگی برای پاسخ‌دهی به این سؤال خواهد بود.

با شروع کار در سال ۲۰۲۲ تیم FASER انتظار دارند که بیش از 10 هزار نوترینو شناسایی کنند. این داده‌ها می‌تواند قدمی اساسی رو به جلو در پاسخ به سوالات بنیادی علم فیزیک باشد؛ سوالاتی از قبیل «منشأ ماده کجاست؟» یا «چرا حجم زیادی از دنیا را ماده‌ی تاریک تشکیل داده است؟».