راز ذرات شبح‌وار: نوترینوها و کشف اسرار آفرینش

کاوش‌های نوین در ژرفای ذرات بنیادی و راز آفرینش

فیزیک‌دان‌ها با امیدواری بسیار، در پی درک بیشتر ریزترین ذرات جهان هستند تا به سوالات بنیادینی درباره‌ی سرآغاز هستی، پاسخ دهند. پروفسور الکساندر سوسا، از دانشگاه سینسیناتی، در تدوین نقشه‌ای جهانی برای تحقیقات گسترده در مورد رفتار نوترینوها در دهه‌ی آینده، نقش مهمی داشته است. نوترینوها، این ذراتِ بی‌اندازه کوچک، تقریباً از هر چیزی عبور می‌کنند و با سرعتی نزدیک به نور، در هر ثانیه، تریلیون‌ها عدد از آن‌ها از ما می‌گذرند. این ذرات در واکنش‌های همجوشی هسته‌ای داخل خورشید، فروپاشی‌های رادیواکتیو در راکتورهای اتمی، لایه‌های زیرین کره‌ی زمین و همچنین در شتاب‌دهنده‌های ذرات در آزمایشگاه‌ها، تولید می‌شوند.

در حین پیمودن مسیر، نوترینوها می‌توانند بین یکی از سه نوع یا به اصطلاح “طعم” مختلف، تبدیل شوند و دوباره به حالت اولیه‌ی خود بازگردند. اما نتایج تجربی غیرمنتظره، دانشمندان را به این فکر انداخته است که شاید نوع دیگری از نوترینو هم وجود داشته باشد؛ چیزی که آن را نوترینوی استریل می‌نامند، چون به نظر می‌رسد در برابر بیشتر نیروهای شناخته‌شده، مقاوم است. سوسا در این باره توضیح داد: «از نظر تئوری، این نوترینو فقط با گرانش تعامل دارد و هیچ ارتباطی با دیگر نیروها، مثل نیروی هسته‌ای ضعیف، قوی یا الکترومغناطیسی ندارد.»

در مقاله‌ای جدید که در ژورنال فیزیک G منتشر شده، سوسا و همکارانش، به بررسی ناهنجاری‌های آزمایشی در تحقیقات نوترینو پرداخته‌اند که دانشمندان را به چالش کشیده است. چشم‌انداز کلی آن‌ها با سناریوهای تامین مالی علمی توسط هیئت تعیین اولویت‌های پروژه‌های فیزیک ذرات (P5) ترسیم شده و در گزارش نهایی این هیئت که در سال 2023 منتشر شد، توصیه‌های مستقیمی به کنگره‌ی آمریکا درباره‌ی بودجه‌ی پروژه‌ها ارائه شده است.

جور زوپان، از نویسندگان مقاله و استاد دانشگاه سینسیناتی، می‌گوید: «انتظار داریم پیشرفت‌های مهمی در فیزیک نوترینو در چند جبهه حاصل شود.» علاوه بر جستجو برای نوترینوی استریل، زوپان اشاره کرد که فیزیک‌دان‌ها در حال بررسی تعدادی از ناهنجاری‌های تجربی هستند – یعنی اختلافاتی بین یافته‌های آزمایشگاهی و نظریه‌ها – و امیدوارند با آزمایش‌های جدید در آینده‌ی نزدیک، آن‌ها را بررسی کنند. یکی از سوالات اساسی این است که چرا در جهان ما، ماده بیشتر از پادماده وجود دارد، در حالی که مه‌بانگ (بیگ‌بنگ) قرار بود هر دو را به یک اندازه تولید کند. سوسا معتقد است که تحقیقات نوترینو می‌تواند به این سوال پاسخ دهد.

تحقیقات نوترینو: در جستجوی پاسخ‌های عمیق به راز هستی

سوسا می‌گوید: «شاید این موضوع در زندگی روزمره شما تفاوت چندانی ایجاد نکند، اما ما در تلاشیم تا دریابیم که چرا در این جهان هستیم.» او اضافه کرد: «به نظر می‌رسد نوترینوها کلید پاسخ به این سوالات عمیق را در خود دارند.» سوسا در یکی از بزرگترین پروژه‌های نوترینو با نام DUNE یا آزمایش نوترینوهای زیرزمینی عمیق (Deep Underground Neutrino Experiment) که توسط آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده‌ی فرمی انجام می‌شود، مشارکت دارد.

تیم‌های تحقیقاتی، معدن طلای قدیمی هوم‌استیک را تا عمق ۱۵۰۰ متر زیر زمین حفر کرده‌اند تا دستگاه‌های تشخیص نوترینو را نصب کنند. سوسا می‌گوید: «رسیدن آسانسور به غارهای تشخیص نوترینو حدود ۱۰ دقیقه طول می‌کشد.» محققان دستگاه‌ها را در عمق زمین قرار می‌دهند تا از تابش‌های کیهانی و تابش‌های پس‌زمینه در امان باشند. این کار باعث می‌شود ذرات تولید شده در آزمایش‌ها به راحتی قابل شناسایی باشند.

سوسا ادامه می‌دهد: «با داشتن این دو ماژول تشخیص‌دهنده و قوی‌ترین پرتو نوترینی که تاکنون تولید شده، می‌توانیم کارهای علمی بسیار بزرگی انجام دهیم.» او گفت: «شروع به کار DUNE بسیار هیجان‌انگیز خواهد بود. این بهترین آزمایش نوترینو خواهد بود که تا به حال انجام شده است.»

این مقاله حاصل تلاشی گسترده بود و بیش از ۱۷۰ محقق از ۱۱۸ دانشگاه یا موسسه، و ۱۴ ویراستار، از جمله خود سوسا، در آن مشارکت داشتند. او گفت: «این یک نمونه‌ی عالی از همکاری با گروهی متنوع از دانشمندان بود. همیشه آسان نیست، اما وقتی همه چیز خوب پیش می‌رود، بسیار لذت‌بخش است.»

در همین حال، سوسا و استاد همکارش در دانشگاه کالیفرنیا، آدام آوریسانو، در یک آزمایش نوترینو دیگر به نام NOvA مشغول به کار هستند که بررسی می‌کند نوترینوها چگونه و چرا طعم خود را تغییر می‌دهند. در ماه ژوئن، گروه تحقیقاتی او آخرین یافته‌های خود را ارائه داد و دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها از جرم نوترینو را تا به امروز گزارش کرد.

پروژه‌ی بزرگ دیگری به نام هایپر-کامیوکاندی یا هایپر-ک، یک رصدخانه و آزمایش نوترینو است که در ژاپن در حال ساخت است. سوسا می‌گوید: «این پروژه باید نتایج بسیار جالبی داشته باشد، به ویژه زمانی که آن‌ها را با DUNE ترکیب کنید. بنابراین این دو آزمایش، دانش ما را به شدت ارتقا خواهند داد.» او اضافه کرد: «ما باید تا دهه‌ی ۲۰۳۰ به برخی از پاسخ‌ها دست یابیم.»