اندازه‌گیری دقیق نوترینوی گریزان در آستانه تحقق یافتن

به گزارش ایسنا به نقل از اسپیس، دانشمندان از یک "ترازوی نوترینو" ۲۰۰ تنی برای اندازه‌گیری این ذرات گریزان استفاده کرده اند. این ذرات شبح مانند به نام "نوترینو" به ندرت با ماده معمولی برهمکنش می کنند و قدرت پنهانی فوق العاده ای دارند. آن ها به قدری گریزان هستند که فیزیکدانان هم اکنون پس از گذشت چند دهه از کشف آنها، هنوز جرم آنها را مشخص نکرده اند.

اما اخیراً دانشمندان با قرار دادن آنها در یک "ترازوی نوترینو" ۲۰۰ تنی، محدودیت جدیدی برای جرم نوترینو در نظر گرفته اند و نتیجه این که آنها بسیار بسیار کوچک هستند.

فیزیکدانان با حساس ترین ترازوی نوترینوی جهان، انبوهی از داده ها را تجزیه و تحلیل کردند تا مشخص کنند که این ذره گریزان، سنگین تر از ۰.۸ الکترون ولت (eV) نیست. این نخستین باری است که یک آزمایش به زیر آستانه یک الکترون ولت برای وزن هر زیراتمی می رسد. برای مقایسه ذره باید گفت که وزن یک الکترون حدود ۵۱۱ هزار الکترون ولت یا به عبارتی، ۹.۱۱ ضرب در ۱۰ به توان منفی ۳۱ کیلوگرم است.

نوترینوها شاید دردسرسازترین ذرات شناخته شده در علم فیزیک باشند. در مدل استاندارد فیزیک ذرات شامل توضیح استاندارد طلایی برای چگونگی عملکرد طبیعت در سطح بنیادی، نوترینوها اصلا نباید جرم داشته باشند. این به دلیل رفتار درونگرایانه این ذره نسبت به بقیه قلمروی کوانتومی آن است. سایر ذرات، مانند الکترون ها، جرم خود را از طریق تعامل با میدان کوانتومی ایجاد شده توسط ذره "بوزون هیگز" بدست می آورند.

تصور کنید یک ذره از میان حوضچه ای پر از آب می گذرد در مقابل ذره ای که مجبور است از داخل یک مخزن شیره عبور کند و در این صورت می توانید ببینید که چگونه میدان هیگز می تواند جرم های مختلفی را روی ذرات برهمکنشی با آن ایجاد کند. اما چنین مکانیسمی برای نوترینوها وجود ندارد و بنابراین برای چندین دهه فیزیکدانان فقط تصور می کردند که آن ها نیز مانند فوتون ها، ذرات کوچک کاملاً بدون جرمی هستند.

این ایده درباره بدون جرم بودن نوترینو برای مدتی در فیزیک کارکرد داشت، حتی پس از کسب اطلاعات بیشتر در مورد نوترینوها مانند این واقعیت که آنها در سه نوع یا "طعم" متفاوت هستند که هر نوع در تعامل خاصی می تواند شرکت داشته باشد. نوع اول الکترون نوترینوها هستند که همراه با الکترون ها ظاهر می شوند. نوع دوم میون نوترینوها هستند که با میون ها جفت می شوند و نوع سوم نیز تائونوترینوها هستند که با ذرات تائو همراه می شوند.

این تفکر درباره انواع مختلف نوترینوها به خوبی با یک نوترینوی بدون جرم مطابقت دارد. اما پس از آن در دهه ۱۹۶۰، فیزیکدانان متوجه شدند که این سه نوع نوترینو میتوانند  "نوسان" کنند یا در حین سفر از نوعی به نوع دیگر، تغییر کنند.

این در حالیست که نوترینوها برای نوسان بین طعم های مختلف خود به جرم نیاز دارند و مشخص شد که مانند سه طعم نوترینو، سه جرم نوترینویی متفاوت نیز وجود دارد. برای اینکه نوترینوها نوسان داشته باشند، هر سه جرم باید بزرگتر از صفر باشند و همه باید متفاوت باشند. به این ترتیب، سه جرم با سرعت های متفاوتی حرکت می کنند و طعم ها بسته به حالت کوانتومی سه جرم در نوسان هستند. اگر جرم ها همه صفر بودند، نوترینوها با سرعت نور حرکت می کردند و فرصتی برای نوسان نداشتند.

با این حال، هر جرم با یک نوع خاص از نوترینو مطابقت ندارد و در عوض هر طعم از ترکیبی از این جرم ها تشکیل شده است. برای مثال آنچه ما بعنوان الکترون نوترینو می بینیم، ترکیب پیچیده ای از سه نوترینوی مختلف با سه جرم متفاوت است.

تا به امروز، فیزیکدانان هنوز جرم سه نوع نوترینوی شناسایی شده را نمی دانند، چرا‌که با محدودیت هایی مواجه هستند که توسط آزمایش های مختلف بر روی مجموع جرم ترکیبی نوترینو و برخی از تفاوت های جرم ها بین نوترینوهای مختلف احاطه شده است.

مشخص کردن جرم هر یک از انواع نوترینو کمک بزرگی به فیزیک ذرات خواهد کرد، زیرا ما نمی دانیم آن ها چگونه دارای جرم هستند. مدل های نظری زيادي وجود دارد، ولی نمی دانیم کدام درست است و یک جرم شناخته شده می تواند به این تلاش کمک کند.

در آلمان، دستگاهی موسوم به "کاترین" (KATRIN) مخفف عبارت "آزمایش نوترینو تریتیوم کارلسروهه" متعلق به موسسه فناوری "کارلسروهه" دقیقاً برای انجام این کار طراحی شده است. این دستگاه دارای مقدار بسیار زیادی تریتیوم و یک طیف سنج غول پیکر ۲۰۰ تنی است که انرژی الکترون ها را اندازه‌گیری می کند.

تریتیوم یک ایزوتوپ نادر و رادیواکتیو از هیدروژن است که حاوی یک پروتون و دو نوترون است. تریتیوم به طور طبیعی از طریق فرآیندی به نام واپاشی بتا تجزیه می شود که در آن یکی از نوترون های درون هسته بطور خود بخود و از طریق تعاملی که شامل نیروی هسته ای ضعیفی است، به یک پروتون تبدیل می شود. نتیجه این که این تبدیل منجر به گسیل یک الکترون و یک الکترون پادنوترینو می شود.

مقدار انرژی آزاد شده توسط این واکنش توسط انرژی هسته ای اتم تریتیوم تنظیم می شود، بنابراین الکترون و نوترینو باید در مجموع ۱۸.۶ کیلوولت انرژی را بین خود به اشتراک بگذارند. از آنجایی که تریتیوم اتم بسیار سبکی است، این یکی از کمترین انرژی های ممکن برای نوترینوها است که اندازه گیری جرم بسیار اندک نوترینو را تا حد امکان آسان می کند.

گاهی اوقات این واکنش انرژی بیشتر یا کمتری به نوترینو می دهد و هرچه باقی می ماند باید به سمت الکترون برود. اگر نوترینو بدون جرم باشد، پس هیچ محدودیتی برای انرژی وجود ندارد، درست مانند فوتون که هیچ محدودیتی ندارد. ولی اگر نوترینو جرم داشته باشد، در آن صورت همیشه انرژیِ جرمِ استراحت خود را خواهد داشت، یعنی انرژی ذخیره شده در یک نوترینو در حالت سکون به دلیل جرم آن. به یاد داشته باشید که طبق معادله معروف اینشتین یعنی" E= mc^ ۲"، انرژی برابر است با جرم ضرب در یک عدد ثابت که مجذور سرعت نور است.

بنابراین هدف از آزمایش با "کاترین"، اندازه گیری انرژی الکترون هایی است که از تجزیه تریتیوم با استفاده از طیف سنج غول پیکر آن خارج می شوند. الکترون های پرانرژی دارای انرژی نزدیک به ۱۸.۶ الکترون ولت هستند که فقط کمی کاهش می یابد و آن هم دقیقاً به دلیل جرم نوترینو است.

اندازه گیری جرم نوترینو با "کاترین" در سال ۲۰۱۹ آغاز شد و تاکنون فیزیکدانان آنرا به یک علم تبدیل کرده اند. "گویدو درکسلین" از موسسه فناوری کارلسروهه، سرپرست این پروژه گفت: "کاترین" در یک آزمایش با بالاترین نیازهای فناورانه اکنون مانند یک ساعت بی نقص در حال کار است.

در حالی که این آزمایش به بارهای واکنش فروپاشی تریتیوم نیاز داشت، محققان می گویند: این کار پرزحمت و پیچیده تنها راه برای حذف سوگیری سیستماتیک نتیجه ی ما به دلیل فرآیندهای تحریف کننده نتیجه بود. این تحریف ها همه منابع احتمالی آلودگی هستند که میتوانند انرژی الکترون در سیگنال را نیز مانند اثرات میدان های مغناطیسی و ناکارآمدی در آشکارساز تحت‌تأثیر قرار دهند.

این تیم در آخرین آزمایش خود، انرژی بیش از ۳.۵ میلیون الکترون مستقل را اندازه گیری کرد. این عدد به خودی خود نشان دهنده کم تر از یک هزارم کل الکترون هایی است که تریتیوم ساطع می کند، زیرا این تیم فقط به الکترون های با بالاترین انرژی برای بررسی جرم نوترینو علاقه مند بود.

آنها پس از این تلاش شگرف حاصل از یک همکاري بین المللی تأیید کردند که نوترینو بزرگ تر از ۰.۸ الکترون ولت نیست.

اکنون مطالعات بیشتر با "کاترین" برای اصلاح این نتیجه و احتمالاً کشف گونه های دیگری از نوترینوها ادامه خواهد یافت.