۱۰ ثانیه تا نابودی ۷۰۰۰ چشم طلایی؛ چگونه یک ترک کوچک آشکارساز ۵۰ هزار تنی نوترینوی ژاپن را از کار انداخت

یک کیلومتر پایین‌تر از قله‌ی سرسبز کوه ایکنو در ژاپن، در دل تاریکی مطلق معدن قدیمی موزومی، تالاری پنهان شده که بیشتر به معبدی از تمدنی فرازمینی شباهت دارد تا آزمایشگاه فیزیک. استوانه‌ای غول‌پیکر از فولاد ضدزنگ به ارتفاع یک ساختمان ۱۴ طبقه و قطر نزدیک به ۴۰ متر که وقتی چراغ‌هایش روشن می‌شوند، درخشش مسحورکننده‌ای از هزاران گوی طلایی چشم‌ها را خیره می‌کند.

روی دیواره‌ها، سقف و کف این تالار، ۱۱,۱۴۶ حباب شیشه‌ای غول‌پیکر به قطر ۵۰ سانتی‌متر با نظمی عجیب در کنار هم چیده شده‌اند؛ سنسورهای نوری بسیار حساسی که توسط شرکت ژاپنی هاماماتسو ساخته شدند. هر کدام از این گوی‌ها نوری را ثبت می‌کنند که چشم انسان قادر به دیدنش نیست. این سازه که با ۵۰ هزار تن آبِ فوق‌خالص پر می‌شود، سوپر کامیوکانده (Super-Kamiokande) نام دارد؛ بزرگ‌ترین تله‌ی تاریخ بشر برای شکار فرارترین ذرات کیهان.

اما ساعت یازده صبح روز ۱۲ نوامبر ۲۰۰۱، این شاهکار مهندسی در عرض ۱۰ ثانیه از بهشتی طلایی به جهنمی از خرده‌شیشه و فلز مچاله‌شده تبدیل شد.

مقصر فاجعه نه زمین‌لرزه‌های معروف ژاپن بود و نه نقص ابرکامپیوترها؛ همه‌چیز از یک تکه یونولیت و زخمی میکروسکوپی روی گردنِ تنها یکی از آن یازده هزار حباب شیشه‌ای آغاز شد. شکستِ نخستین حسگر در کف مخزن واکنش زنجیره‌ای به راه انداخت که شاید علتش فشار وارده به شیشه هنگام تعمیرات باشد.

چرا فیزیک‌دانان ژاپنی و آمریکایی چنین سازه‌ی عجیبی را در عمق ۱۰۰۰ متری زیر زمین ساختند؟ اگر بخواهیم خلاصه بگوییم، به‌خاطر نوترینو.

همین حالا که این جملات را می‌خوانید، در هر ثانیه صدها میلیارد نوترینو که در قلب خورشید یا انفجار ستارگان دوردست متولد شده‌اند، با سرعتی نزدیک به سرعت نور از بدن شما، از ساختمان محل حضورتان و از تمام کره‌ی زمین عبور می‌کنند؛ بی‌آنکه حتی به یک اتم برخورد کنند.

نوترینوها آن‌قدر شبح‌وار و گریزان‌اند که یک نوترینوی معمولی می‌تواند از میان حجم عظیمی از ماده عبور کند، بی‌آنکه با ذره‌ای دیگر برهم‌کنش داشته باشد. دانشمندان برای به دام انداختن چنین شبحی به دو چیز نیاز داشتند.

نخست سپر سنگی یک کیلومتری. کوه ایکنو مثل فیلتری غول‌پیکر عمل می‌کند تا بخش عمده‌ی ذرات مزاحمِ ناشی از پرتوهای کیهانی به آزمایشگاه نرسند؛ نوترینوها از دل صخره‌ها می‌گذرند.

دوم دریایی از آبِ فراخالص. اگر میلیاردها نوترینو از میان ۵۰ هزار تن آب عبور کنند، گاهی، بسیار به‌ندرت، یکی از آن‌ها با ذرات سازنده‌ی آب برهم‌کنش می‌کند و با همین رویداد نادر کار آشکارساز آغاز می‌شود. البته ۵۰ هزار تن، ظرفیت کل مخزن است؛ فیزیک‌دانان برای تحلیل‌های دقیق، معمولاً برخوردهای دور از دیواره را در حجم کوچک‌تری از آب برمی‌گزینند تا نورِ رویداد با بدنه و حسگرها اشتباه نشود.

در تاریکی مطلق مخزن، این برخورد یک مخروط نوری آبی‌رنگ و بسیار ضعیف تولید می‌کند و آن ۱۱,۱۴۶ چشم طلایی یا لوله‌های فتومولتی‌پلایر (PMT) منتظرند تا همین جرقه‌ی ناچیز را شکار و تقویت کنند.

سوپر کامیوکانده در سال ۱۹۹۶ آغاز به کار کرد و خیلی زود، در سال ۱۹۹۸، با کشف تاریخی «نوسان نوترینو» جهان فیزیک را تکان داد؛ کشفی که ثابت کرد نوترینوها برخلاف تصور پیشین فیزیک‌دانان جرم دارند و سال‌ها بعد جایزه نوبل فیزیک را برای تاکاکی کاجیتا، دانشمند برجسته این پروژه به ارمغان آورد.

داده‌های رصدخانه در سال ۲۰۰۱ نیز در کنار آزمایش سادبری کانادا، به حل معمای نوترینوهای خورشیدی کمک کردند.

در ژوئیه ۲۰۰۱، پس از پنج سال کار بی‌وقفه و درخشان، سوپر کامیوکانده برای تعمیر و تعویض صدها حسگر معیوب خاموش شد. طی این پنج سال، چند صد عدد از آن یازده هزار حباب طلایی سوخته بودند و باید تعویض می‌شدند.

پمپ‌های عظیم شروع به تخلیه ۵۰ هزار تن آب کردند. هم‌زمان با پایین رفتن سطح آب، صحنه‌ای شکل گرفت که عکس‌هایش به نماد بصری دنیای علم تبدیل شد.

پژوهشگران و تکنسین‌ها سوار بر قایق‌های بادی کوچک، روی آبِ زلالی فوق‌خالص پارو می‌زدند؛ حباب‌های معیوب دیواره‌ها را باز می‌کردند، سنسورهای ۵۰ سانتی‌متری جدید را می‌بستند و سطح شیشه‌ها را تمیز می‌کردند. عکس‌های این کار بعدها تصویری ماندگار از آزمایشگاه را پیش روی جهان گذاشت.

وقتی آب کاملاً تخلیه شد، نوبت به کف مخزن رسید. کف این استوانه‌ی ۴۰ متری، فرشی از حباب‌های شیشه‌ایِ گران‌قیمت و شکننده بود که رو به بالا قرار داشتند. تکنسین‌ها چگونه باید برای تعویض سنسورهای میانی، از روی این فرش شیشه‌ای عبور می‌کردند؟

روی کاغذ، یونولیت نرم به‌نظر می‌رسید و نباید مشکلی ایجاد می‌کرد؛ اما شیشه‌ی حباب‌های فتومولتی‌پلایر که درونشان خلا کامل وجود داشت، کروی شکل بودند و پایینشان به گلویی باریک و شیشه‌ای می‌رسید. فشار پا می‌توانست از میان صفحه‌های یونولیتی به این بخش آسیب‌پذیر منتقل شود.

احتمالاً در یکی از همان گام‌ها، در گلوی شیشه‌ایِ یکی از حباب‌های کف مخزن، شبکه‌ای از ترک‌های میکروسکوپی شکل گرفت. البته حباب نشکست و صدای تَرَکی هم به گوش نرسید. حتی در روز ۲۳ سپتامبر ۲۰۰۱، زمانی که فیزیک‌دانان و دانشجویان دکتری پیش از آب‌گیری کامل، سنسورهای زیر آب را بررسی کردند، نشانه‌ای از شل‌شدن یا جابه‌جایی آن‌ها نیافتند.

درهای فولادی مخزن بسته شد و پمپ‌ها شروع به پر کردن تدریجی تالار با آب فوق‌خالص کردند. تله کوک شده بود و زمان‌سنج آن با هر سانتی‌متر بالا آمدن آب، به لحظه صفر نزدیک‌تر می‌شد.

آب‌گیری مخزن ۵۰ هزار تنی فرآیندی کند و چند هفته‌ای بود. تا صبح روز دوشنبه ۱۲ نوامبر ۲۰۰۱، سطح آب به حدود ۸۰ درصد ارتفاع مخزن رسید و حسگرهای کف زیر ستونی از آب به ارتفاع بیش از ۳۰ متر قرار داشتند.

در کف مخزن، هزاران تن آب فشاری معادل حدود ۳ تا ۴ اتمسفر را به بدنه حباب‌های شیشه‌ای وارد می‌کرد. حباب‌های هاماماتسو برای تحمل فشاری در حدود ۶ اتمسفر طراحی شده بودند، بااین‌حال، یکی از حباب‌های زخمی کف مخزن تاب نیاورد.

هجوم آب و موج ضربه‌ای: آبِ تحت فشار به درون فضای خالیِ حبابِ شکسته هجوم برد. فروریزش ناگهانی حباب موجی قدرتمند در آب ایجاد کرد که به سمت حسگرهای مجاور رفت.

انتقال موج در آب: آب، موج فشار را از محل فروریزش به شیشه‌ی حباب‌های همسایه رساند. آبی که قرار بود محیط شکار نوترینوها باشد، ضربه را به اطراف منتقل می‌کرد؛ هرچند انرژی موج در مسیر پخش‌شدن کاهش می‌یافت.

شکستن حباب‌های مجاور: فشار آبِ عمیق و ضربه‌ی کوتاه موج، بعضی حسگرهای اطراف را شکست. هر فروریزش تازه، موج دیگری به راه انداخت.

حباب‌های کناری در یک چشم‌به‌هم‌زدن فرو ریختند. حالا به جای یک موج شوک، چندین موج شوک هم‌زمان در آب به حرکت درآمده بودند و واکنش زنجیره‌ای مهارناپذیری به راه انداختند. موج ویرانی از کف مخزن به سمت دیواره‌ها دوید و مثل زیپِ یک لباس که با شتاب باز شود، ردیف‌به‌ردیف حباب‌های طلایی را از پایین به بالا منفجر کرد.

تنها چیزی که باعث شد حدود ۴ هزار سنسورِ بخش بالایی مخزن جان سالم به در ببرند، این بود که مخزن هنوز کامل پر نشده بود و بخش‌های بالاتر از سطح آب در معرض همان زنجیره‌ی فروریزش قرار نگرفتند. به روایت شاهدان، چند ردیف نزدیکِ سطح آب هم سالم ماندند.

شاید بپرسید مهندسان ژاپنی هنگام ساخت مخزن فکر نکرده بودند که اگر یک حباب زیر آب بترکد چه اتفاقی برای بقیه می‌افتد؟ نکته‌ای که حادثه‌ی سوپرکامیوکانده را غیرمنتظره‌تر می‌کرد، این بود که متخصصان پیش‌تر خطر شکست حسگر را آزمایش کرده بودند.

پیش از ساخت رصدخانه، مهندسان چند حباب را در آب قرار دادند و یکی از آن‌ها را به عمد در عمق آب ترکاندند تا ببینند آیا حباب‌های کناری می‌شکنند یا نه. در آزمایش‌های اولیه حباب‌های مجاور سالم ماندند و متخصصان احتمال وقوع حادثه را پایین برآورد کردند.

آزمایش‌های پس از حادثه نشان دادند که فاصله‌ی حباب‌ها، عمق آب و آرایش واقعی حسگرها در گسترش موج تعیین‌کننده‌اند. سالم ماندن چند حسگر در آزمونی محدود، ضمانتی برای زنجیره‌ای به این بزرگی نبود.

وقتی دریچه‌های بالای مخزن باز شد و نور پروژکتورها به درون تابید، صحنه‌ای آخرالزمانی پیش چشم دانشمندان قرار گرفت. در پایان، ۶,۷۷۷ سنسور از ۱۱,۱۴۶ سنسور داخلی و حدود ۱,۱۰۰ سنسور بیرونی آسیب دیده یا شکسته بودند. در دیواره‌های استوانه تا ارتفاع ۳۰ متری، به جای گوی‌های طلایی، کاسه‌های فلزیِ خالی و سیم‌های بریده به چشم می‌خورد و کف مخزن زیر خروارها خرده‌شیشه و قطعات فلزی مدفون شده بود.

اما تنها یک روز پس از فاجعه، در ۱۳ نوامبر ۲۰۰۱، پروفسور یوجی توتسوکا مدیر رصدخانه‌ی کامیوکا، پیش از مشخص‌شدن نتایج بررسی‌ها، نامه‌ای به همکارانش فرستاد که جمله‌ی مشهورش، سال‌ها بعد نیز در یادبودش نقل شد:

ما آشکارساز را دوباره خواهیم ساخت. هیچ تردیدی در این نیست.

تیم توتسوکا نه‌تنها تسلیم نشد، بلکه یکی از هوشمندانه‌ترین عملیات‌های احیای مهندسی را به اجرا درآورد.

بازگشت یک‌ساله با آرایش شطرنجی: از آنجا که تولید ۶ هزار حباب جدید توسط شرکت هاماماتسو سال‌ها طول می‌کشید، دانشمندان ۵,۱۸۲ حباب در دسترس را به صورت یکی‌درمیان (شطرنجی) در کل مخزن پخش کردند تا رصدخانه با نصف تراکم قبلی اما در تمام مساحت خود، در اکتبر ۲۰۰۲ با نام Super-Kamiokande-II دوباره داده ثبت کند.

زره اکریلیکی برای مهار موج شوک: برای اینکه دیگر هرگز یک حباب نتواند همسایه‌هایش را نابود کند، مهندسان برای تک‌تک حباب‌ها یک کلاهک محافظ از جنس اکریلیک شفاف (در جلو) و فایبرگلاس (در بدنه) طراحی کردند.

روی این محفظه‌ها سوراخ‌های کوچکی تعبیه شد؛ به طوری که هنگام پر شدن مخزن، آب به آرامی وارد پوسته می‌شود تا فشار دو طرف یکسان بماند، اما اگر حباب شیشه‌ایِ داخل پوسته بترکد، آب نمی‌تواند ناگهان با سرعت به درون خلاء هجوم ببرد و موج شوک در همان نطفه خفه می‌شود.

سوپرکامیوکانده در سال ۲۰۰۲ به میدان پژوهش بازگشت، هرچند تمام توان علمی سابقش را نداشت. حسگرهای فاز دوم تنها ۱۹ درصد سطح داخلی مخزن را می‌پوشاندند؛ یعنی معادل ۴۰ درصد پوشش پیش از حادثه. وقتی نورِ حاصل از یک برخورد نادر به حسگرهای کمتری می‌رسد، بازسازی انرژی ذره دشوارتر می‌شود و ثبتِ کم‌انرژی‌ترین رویدادها سخت‌تر.

پژوهشگران نمی‌خواستند بازسازی کامل سوپرکامیوکانده، آزمایش مهم دیگری را برای چند سال متوقف کند. این آزمایش که K2K نام داشت، از سال ۱۹۹۹ برای بررسی یکی از بزرگ‌ترین کشفیات رصدخانه، توانایی نوترینوها برای تبدیل‌شدن از نوعی به نوع دیگر در طول مسیر آغاز شده بود.

در آزمایش K2K، دانشمندان از تأسیسات KEK در ژاپن پرتویی از نوترینوهای میونی تولید می‌کردند و آن را به‌سمت سوپرکامیوکانده، در فاصله‌ی حدود ۲۵۰ کیلومتری، می‌فرستادند. سپس بررسی می‌کردند که چه تعداد از این نوترینوها در مقصد شناسایی می‌شوند. اگر نوترینوها در طول مسیر تغییر نوع نمی‌دادند، تعداد برخوردهای ثبت‌شده با پیش‌بینی پژوهشگران مطابقت داشت.

به این ترتیب، تصمیم برای راه‌اندازی دوباره‌ی آشکارساز با نیمی از حسگرهای اولیه نتیجه داد. سوپرکامیوکانده هنوز به توان علمی سابقش بازنگشته بود، اما می‌توانست در یکی از مهم‌ترین آزمایش‌های فیزیک ذرات مشارکت کند.

پژوهشگران پس از تولید سنسورهای جایگزین، در سال‌های ۲۰۰۵ و ۲۰۰۶ بار دیگر به سراغ مخزن رفتند و حباب‌ها را نصب کردند. تا ژوئیه‌ی ۲۰۰۶، تعداد سنسورهای داخلی به ۱۱٬۱۲۹ عدد رسید و سوپرکامیوکانده تقریباً به وضعیت پیش از حادثه بازگشت. حالا دستگاه می‌توانست نورهای ضعیف‌تر را بهتر تشخیص دهد و برخوردهای کم‌انرژی را با دقت بیشتری ثبت کند.

حفاظ‌هایی که در پاسخ به حادثه طراحی شده بودند، روی حباب‌های تازه هم نصب شدند. البته کلاهک‌ها دیواره‌ی شیشه‌ای را از فشار آرام و پیوسته‌ی آب جدا نمی‌کردند، درعوض سوراخ‌های کوچکی روی آن‌ها وجود داشت که اجازه می‌داد آب به‌آرامی وارد شود و فشار داخل و خارج حفاظ برابر بماند.

پس از حادثه‌ی ۲۰۰۱ مهندسان به جای تلاش برای ساخت شیشه‌ای که هرگز نمی‌شکند، می‌خواستند مطمئن شوند که شکستن یک سنسور، به نابودی هزاران سنسور دیگر منجر نمی‌شود. این تجربه بعدها در طراحی آشکارسازهای بزرگ زیر آب نیز مورد توجه قرار گرفت.

امروز، سی سال پس از آغاز فعالیت سوپرکامیوکانده، این رصدخانه همچنان به کار خود ادامه می‌دهد. از سال ۲۰۲۰، پژوهشگران با افزودن ترکیبی از گادولینیوم به آب مخزن، توانایی آن را برای شناسایی برخی نوترینوها افزایش داده‌اند.

ژوئن ۲۰۲۶ نیز دانشمندان برای نخستین‌بار نشانه‌هایی از نوترینوهای به‌جامانده از انفجار ستاره‌ها در طول تاریخ کیهان را گزارش کردند. شواهد هنوز برای اعلام کشف قطعی کافی نیستند، اما پژوهشگران بیش از هر زمان دیگری به شناسایی این ذرات نزدیک شده‌اند.

در حال حاضر ژاپن در فاصله‌ی حدود هشت کیلومتری این رصدخانه، نسل بعدی‌اش را احداث می‌کند؛ ابرسازه‌ای به نام هایپرکامیوکانده که حفاری تالار زیرزمینی آن در ژوئیه‌ی ۲۰۲۵ به پایان رسید؛ آشکارسازی بسیار بزرگ‌تر که قرار است بیش از ۲۰ هزار حسگر نوری داشته باشد. مهندسان برای حسگرهای جدید هم حفاظ‌هایی طراحی کرده‌اند تا در صورت شکستن یکی، موج ناشی از فروریزش شیشه به حسگرهای اطراف آسیب نرساند.