معمای ذرات نوترینو که علم فیزیک قادر به توضیح آن نیست
هنگامی‌که فیزیکدانان تشخیص دادند که سیگنال‌های پرانرژی ذرات نوترینو از جهت‌های غیرمنتظره کیهان ساطع می‌شوند، به دنبال یک منبع قدرتمند می‌گشتند که بتواند این موضوع را شرح دهد. بررسی پیگیرانه منابع به‌شدت مورد انتظار این ذرات انفعالی شبح‌مانند، حال بدون نتیجه به سرانجام رسیده است. این قضیه باعث شد تا راه برای حدس و گمان‌های عجیب‌وغریب پیرامون منبع این سیگنال‌ها، بازتر شود.
جست‌و‌جو در داده‌های هفت ساله ناشی از تجربه شکار نوترینوها توسط تیم IceCube، باعث شده تا دانشمندان اقرار کنند که توضیحات مربوط به اکتشاف این موضوع، بسیار ضعیف هستند. IceCube یک تیم گسترده بوده که دانشمندانی را از سرتاسر جهان گرد هم آورده است.
ذرات نوترینو اجزاهایی شبیه به الکترون بوده و در مدل استاندارد ذرات بنیادی قرار می‌گیرند. این ذرات جرم بسیارکمی داشته و همچنین بار الکتریکی نیز ندارند. این جرم کم و نیز خنثی بودن به این معنا است که نوترینوها علاقه‌ای ندارند تا توقف کرده و با سایر ذرات به تعامل بپردازند. فروپاشی اتمی در عمق خورشید باعث می‌شود تا هرروزه سیل این ذرات از این سیاره ساطع شود. نوترینوها فقط یک مجاورت کوچک با اتم را لازم دارند تا یک واکنش قابل‌توجه را ایجاد کنند.
جهت شکار تشعشع نادر نوترینو که به یک مولکول آب یخ‌زده برخورد می‌کند، رصدخانه IceCube رشته‌های طولانی تجهیزات حساس نورگیر را در زیر یخ‌های قطب جنوب کار گذاشته است. نزدیک به یک دهه است که این تجهیزات روزانه صدها اشعه را ضبط می‌کنند. طی این اقدام، جهت‌ها و انرژی‌های ذرات نوترینویی که به زمین رسیده‌اند، در یک پایگاه اطلاعاتی جمع‌آوری شدهاند.
اما این تنها مسئله مهم نیست. آنتن ناپایدار تحریک‌کننده قطب جنوب ناسا (ANITA) از طریق یک بالن هلیوم و در ارتفاع 40 کیلومتری از سطح قطب جنوب، در هوا معلق مانده است. این بالن نشانه‌هایی از نوترینوهایی را که با انرژی بالای خود به اتم‌های جو برخورد می‌کنند، به دام می‌اندازد.
هنوز ANITA در ابتدای راه خود قرار دارد، اما همین پروازهای کمی هم که توسط این آنتن انجام شدهاند، باعث شده تا تعدادی از اشعه‌های آشکارساز این ذرات پرانرژی، با موفقیت تشخیص داده شوند. به طرز عجیبی، دو عدد از این سیگنال‌ها از آسمان بالای زمین نمی‌آمدند، بلکه از خود این سیاره ساطع می‌شدند.
این‌ها تمامی نکات تعجب‌برانگیز یک ذره نوترینوی ساطع‌شده از سطح خورشید نیستند. در میان انواع انرژی‌هایی که توسط ANITA به ثبت رسیده‌اند، نوترینوها بسیار تعاملی‌تر رفتار می‌کنند. این ذرات در راندمانی بالا با اتم‌های سیاره ما ترکیب شده و در نتیجه اتم‌های کمی هستند که با این ذرات برخورد نداشته باشند.
اخترفیزیکدان الکس پیزوتو (Alex Pizzuto) از دانشگاه ویسکانسین مدیسون ایالات‌متحده، می‌گوید: “معمولا گفته می‌شود که نوترینوها ذراتی گریزان یا شبح‌مانند هستند، زیرا آن‌ها این توانایی را دارند که بدون برخورد با چیزی، از داخل اشیای مختلف عبور کنند. اما این انرژی‌های باورنکردنی؛ یعنی نوترینوها، بیشتر شبیه به گاوهایی در داخل مغازه‌های چینی هستند (جایی که باید همه چیز با احتیاط انجام شود). احتمال بیشتری می‌رود که نوترینوها با ذرات سطح زمین تعامل داشته باشند.”
پیدا کردن تعدادی نوترینوی گاو‌مانند که با سیاره ما نیز تعامل زیادی دارند، نیازمند نوعی توضیح است. البته کشف نوترینوها می‌تواند نتیجه اکتشاف شانسی این ذرات نادر نیز باشد. خوش‌شانس بودن چندان جواب نادرستی هم نیست. اما به‌احتمال‌زیاد، ذرات تشخیص داده شده به‌عنوان بخشی از یک توده عظیم به این سیاره برخورد کرده‌اند.
نوترینوهای پرانرژی تمایل دارند تا پیش از اینکه توسط میدان‌های مغناطیسی قوی کیهان، تحت فشار قرار گیرند، ما بین تعامل‌های میان پرتوهای کیهانی و هسته‌های اتمی متولد شوند.
به این دلیل، محققان بر روی آمارها کار کرده‌اند تا بفهمند که چه تعداد نوترینوی پرانرژی لازم است تا ANITA بتواند با احتمال بالایی به شناسایی آن‌ها بپردازد. دانشمندان همچنین از طریق داده‌های IceCube سعی کرده‌اند تا رویدادهای بالقوه را که می‌توانند مسئول تولید تعداد بالای نوترینوها باشند، شناسایی کنند.
فیزیکدان آناستازیا باربانو (Anastasia Barbano) از دانشگاه ژنو سوئیس اظهار می‌کند: “این فرآِیند باعث می‌شود تا رصدخانه IceCube به ابزاری عالی جهت پیگیری مشاهدات ANITA تبدیل شود، زیرا به ازای هر رویداد غیرعادی که توسط ANITA تشخیص داده می‌شود، رصدخانه IceCube می‌توانسته که رویدادهای بسیار بیشتری را تشخیص دهد. در چنین مواردی، ما این کار را انجام نداده‌ایم.”
حال باید چه اقدامی انجام داد؟
اول از همه، باید در نظر داشت که حتی بهترین و حرفه‌ای‌ترین آزمایش‌ها نیز مستعد خطا هستند. کمتر از یک دهه پیش، یک هیجان افسارگسیخته در رابطه با کشف اینکه نوترینوها سریع‌تر از نور حرکت می‌کنند، وجود داشت. پیش از اینکه اشتباه بودن این یافته مشخص شود، این موضوع مورد بررسی‌های زیادی قرار گرفته بود.
این یافته‌های جدید در حال حاضر به‌صورت پیش‌نویس در وب‌سایت arXiv.org قرار داده شدهاند. این یافته‌ها قرار است که به The Astrophysical Journal ارسال شوند تا در آنجا توسط جامعه دانشمندان مورد بررسی‌های موشکافانه قرار گیرند.
حتی در حال حاضر نیز احتمالات خسته‌کننده‌ای وجود دارند که ما می‌توانیم آن‌ها را در نظر بگیریم. حتی اکنون می‌توانیم تصوراتی خارج از قوانین فیزیک فعلی را نیز در نظر بگیریم.
پیزوتو می‌گوید: “تحلیل‌های ما، تنها مدل استاندارد اخترشناسی را که رویدادهای غیرعادی ANITA را توضیح می‌داد، رد کرده‌اند. بنابراین در حال حاضر اگر این رویدادها واقعی بوده و فقط به دلیل چیزهای عجیب‌وغریب داخل ردیاب‌ها صورت نگرفته نباشند، آنگاه می‌توان این‌گونه نتیجه گرفت که این رویدادها به قوانین فیزیکی فراتر از مدل استاندارد اشاره می‌کنند.”
یکی از احتمالات این است که شتاب‌دهنده‌های کیهانی تعداد زیادی از نوترینوها را پشت سرهم پرتاب می‌کنند. این بازه زمانی آن‌قدر کوتاه است که دانشمندان با تجهیزات فعلی نمی‌توانند به شکار آن‌ها بپردازند.
اگر بخواهیم که به فرضیه‌های بسیار عجیب اعتقاد داشته باشیم، حتی می‌توانیم نقشی را نیز برای ماده تاریک در نظر بگیریم. یا اینکه نوعی دیگر از ذرات را در نظر بگیریم که همانند نوترینوهای پرانرژی رفتار می‌کنند، اما از طریق راه‌های دیگری تولید می‌شوند.
سؤالات زیادی می‌توانند مطرح شوند. در حال حاضر، تحقیقات ما درباره رازهای ذرات نوترینو، در مراحل اولیه خود به سر می‌برند. بنابراین اگر بتوانیم بیشتر یاد بگیریم، آنگاه می‌توانیم امید داشته باشیم که ذرات نوترینو دریچه‌هایی را به سوی رازهای بزرگ باز کنند و در نهایت، این موضوع نیز باعث کشف قوانین جدید در علم فیزیک شود.
شکی نیست که رصدخانه IceCube و ANITA به دنبال راه‌هایی خواهند بود تا معمای این ذرات پرانرژی شبح‌مانند را حل کنند. همچنین می‌توان امید داشت که این رویه بتواند مرزهای علم فیزیک را نیز جا‌به‌جا کند.
نسخه پیش‌نویس این پژوهش در وب‌سایت arXiv.org موجود است.
نوشته معمای ذرات نوترینو که علم فیزیک قادر به توضیح آن نیست اولین بار در اخبار تکنولوژی و فناوری پدیدار شد.