تغییر بنیادین در نگرش به ماده و برهم‌کنش‌آنها با بررسی خواص نوترینوها

فرهنگستان علوم سوئد، سه‌شنبه هفته گذشته (14 مهر 1394)، برندگان صدونهمین جایزه نوبل فیزیک را معرفی کرد. در بیانیه کمیته نوبل گفته شد که به پاس تلاش‌های «تاکاکی کاجیتا»، از دانشگاه توکیوی ژاپن و «آرتور بی‌مک‌دونالد» از دانشگاه کویینز کانادا برای کشف نوسان‌های نوترینو که نشان می‌دهد نوترینو دارای جرم است، جایزه نوبل فیزیک 2015 به این دو نفر اهدا می‌شود. نوترینو یک ذره بنیادی است که از نظر الکتریکی خنثی و بدون بار است و به‌ندرت وارد برهم‌کنش با ماده معمولی می‌شود، اما معمولا با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند. این ذره عجیب و مرموز می‌تواند تقریبا بدون هیچ برهم‌کنشی، از درون مواد معمولی عبور کند. کلمه نوترینو (نام این ذره بنیادین یا زیراتمی مشهور) به معنی «کوچک خنثی» است. این جایزه به دلیل نقش بسیار مهم این دو دانشمند در آزمایش‌هایی که نشان می‌داد نوترینوها تغییر ماهیت می‌دهند، به آنها اعطا شد. برای اینکه چنین تغییر و تبدیلی صورت گیرد، لازم است که نوترینوها جرم داشته باشند. این در ‌حالی است که دانشمندان سال‌ها در مورد جرم‌دار بودن این ذرات، شک ‌و تردید داشتند. این کشف، درک انسان را درباره ماهیت ماده و همچنین چگونگی کارکرد آن تغییر داده و از اهمیت بسیار زیادی در بینش بشر درمورد جهان برخوردار است. «تاکاکی کاجیتا»، حدود سال‌2000 دریافت نوترینوهای جو در مسیر خود برای رسیدن به آشکارساز سوپر کامیوکانده در ژاپن، تغییر ماهیت می‌دهند. در همان زمان، یک گروه تحقیقاتی در کانادا به سرپرستی «آرتور بی‌مک‌دونالد» نشان دادند که نوترینوهای خورشید در مسیر خود به سمت زمین ناپدید نمی‌شوند یا از بین نمی‌روند بلکه در زمان ورود به رصدخانه نوترینوی سادبری تغییر ماهیت می‌دهند. به این ترتیب یک معمای نوترینویی که سال‌های متمادی فیزیک‌دانان را سردرگم کرده بود، حل شد. تعداد نوترینوهایی که در عمل اندازه‌گیری می‌شدند، در مقایسه با تعداد آنها در محاسبات نظری، تا دوسوم کمتر بود. اکنون این گروه تحقیقاتی دریافته بودند که دلیل کم‌شدن تعداد این نوترینوها، در حقیقت تغییر ماهیت آنها است. این کشف به یک نتیجه‌گیری گسترده منجر شد که براساس آن، نوترینوها حتما باید جرم داشته باشند. این کشف برای فیزیک بنیادی یک کشف تاریخی بود. مدل استاندارد فیزیک در مورد عمیق‌ترین کارکردهای ماده بسیار موفق بود و بیش از دو دهه در برابر همه چالش‌های تجربی مقاومت کرده بود اما از آنجایی که بر اساس این مدل، نوترینوها فاقد جرم هستند، رصدهای جدید آشکارا نشان داد که مدل استاندارد نمی‌تواند نظریه کاملی درباره اجزای بنیادین جهان ارائه کند. کشفی که برنده جایزه نوبل فیزیک امسال شد، بینش‌های مهمی را در مورد همه نوترینوهای جهان (اعم از پنهان و پیدا) ارائه کرده است. پس از فوتون‌ها یا همان ذرات نور، نوترینو‌ها بیشترین تعداد ماده را در کل کیهان به‌خود اختصاص داده‌اند. این ذرات پیوسته زمین را بمباران می‌کنند. بسیاری از نوترینوها، از واکنش بین تابش کیهانی و جو زمین ایجاد می‌شوند. بسیار از نوترینوهای دیگر هم در اثر واکنش‌های هسته‌ای درون خورشید تولید می‌شوند. اکنون آزمایش‌ها برای شناخت کامل‌تر نوترینوها ادامه دارد و کارهای زیادی در سراسر جهان برای شکار نوترینوها و بررسی ویژگی‌های آنها در حال انجام است. اکتشافات جدید در مورد اسرار این ذرات می‌تواند درک کنونی انسان را در مورد تاریخ، ساختار و سرنوشت آینده جهان تغییر دهد. گفتنی است نوترینوها ضمن واپاشی بتا، طی واکنش‌های هسته‌ای (مانند واکنش‌هایی که در خورشید یا رآکتورهای اتمی رخ می‌دهند) و همچنین در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با اتم‌ها ایجاد می‌شوند. سه نوع یا «طعم» نوترینو وجود دارد که عبارتند از نوترینوی الکترون، نوترینوی میون و نوترینوی تاو. همچنین هر یک از آنها پادذره یا ضدذره مربوط به خود دارد که پادنوترینو نامیده می‌شود. به هر روی کشف «نوسان و تغییر ماهیت نوترینوها» گوی سبقت را از سایر موضوعات علمی که محور تلاش‌های علمی دانشمندان در حوزه فیزیک بودند، را ربود و جایزه نوبل را از آن خود ساخت. از آنجایی که نوترینوها بار الکتریکی ندارند، تحت‌تأثیر نیروهای الکترومغناطیس قرار نمی‌گیرند. نوترینوها تنها تحت‌تأثیر نیروی هسته‌ای ضعیف قرار می‌گیرند که در مقایسه با نیروی الکترومغناطیس بُرد بسیار کوتاه‌تری دارد، اما به‌همین دلیل می‌توانند مسافت‌های بسیار طولانی را درون مواد طی کنند، بدون اینکه برهم‌کنشی با آنها داشته باشند. بیشتر نوترینوهایی که از زمین عبور می‌کنند، از خورشید صادر می‌شوند. در هر ثانیه از هر سانتی‌مترمربع زمین، در حدود 65 میلیارد نوترینوی خورشیدی عبور می‌کند. جالب است که بدانیم در هر ثانیه، ‌هزاران‌ میلیارد نوترینو از درون بدن ما نیز عبور می‌کند و تقریبا چیزی نمی‌تواند جلوی عبور آنها را بگیرد اما از آنجایی که این ذرات هیچ برهم‌کنشی با سلول‌های بدن ما ندارند، تأثیری هم روی ما ندارند. پروفسور «مک‌دونالد» در یک مصاحبه تلفنی گفته است که قطعا در جریان تحقیقات در این زمینه، لحظه «کشف بزرگ» هم وجود داشت و آن زمانی بود که مشاهده شد نوترینوها در مسیر حرکت از خورشید به زمین از نوعی به نوع دیگر تغییر ماهیت می‌دهند.

----------------------------

تاریخچه کشف نوترینو 1914: «جیمز چادویک» به مسئله ابهام‌آمیز انرژی حرکتی ذراتی که از مواد رادیواکتیو صادر می‌شدند، برخورد کرد. 1930: ایده نوترینو هنگامی به ‌دنیا آمد که «ولفگانگ پاولی» برای حفظ اصل پایستگی انرژی در تولید ذرات بتا، چاره‌ای اندیشید. «پاولی» هنگامی که برای نخستین‌بار تئوری خود را عرضه کرد، نوترون هنوز کشف نشده بود. 1932: «چادویک» نوترون را کشف کرد. در سال‌1933 نیز «کارل دیوید اندرسون» اولین پادذره یعنی پوزیترون را کشف کرد. 1956: 25 سال پس از اینکه «پاولی» امکان وجود نوترینو را پیشنهاد کرده بود و 42 سال پس از اینکه ابهامات مربوط به پرتو بتا مطرح شد، «کلاید کووان» و «فردریک رینز» اعلام کردند وجود نوترینو بالاخره به اثبات رسیده است. 1962: دومین نوع نوترینو یعنی نوترینوی میون کشف شد. 1968: «برونو پونته‌کورو» و «ولادیمیر گیربف» در پی ابهامات به‌وجودآمده در اندازه‌گیری تعداد نوترینوهای خورشیدی عبوری از زمین، اعلام کردند اگر نوترینوها دارای جرم غیرصفر باشند، می‌توانند از نوعی به نوع دیگر تغییر کنند. بنابراین نوترینوهای خورشیدی گمشده، ممکن است نوترینوهای الکترونی باشند که در طول مسیر خود به سوی زمین، به‌نوعی دیگر تغییر یافته‌اند و از دید آشکارسازها پنهان می‌مانند. تا پیش از این عقیده عمومی بر این رایج بود که نوترینوها دارای جرم صفر هستند. 1978: نیاز به وجود نوع سوم نوترینو به نام نوترینوی تاو اعلام شد ولی تا 1998یعنی تا 20 سال پس از آن، مشاهده آن امکان‌پذیر نشده بود. 1998: تیم تحقیقاتی سوپر کامیوکانده از یافتن قرائن و شواهدی درباره نوترینوهایی بدون جرم صفر خبر دادند. 2010: تیم تحقیقاتی INFN در گرن‌ساسو ایتالیا که روی آشکارساز اپرا کار می‌کنند، مشاهده کردند تعدادی از نوترینوهایی که از سرن گسیل شدند و از نوع نوترینوی میونی بودند، در طول سفر از لابراتوارهای سرن واقع در ژنو با عبور از تونلی به طول 730 کیلومتر، به نوترینوهای تاو تبدیل شدند (به بیان دیگر، نوسان کردند و تغییر طعم دادند). این نوسان‌ها اثبات کرد حداقل یکی از این سه نوع نوترینو می‌تواند جرم داشته باشد.