رکوردهای بزرگ ذره کوچک: نگاهی به نوبل فیزیک ۲۰۱۵

امسال بنیاد نوبل جایزه رشته فیزیک خود را به تاکاکی کاجیتا و آرتور مک‌دونالد، محققینی از ژاپن و کانادا اهدا کرد؛ به پاس "کشف نوسانات نوترینو، که نشان از جرم‌دار بودن نوترینوها دارند". این چهارمین باری است که جایزه نوبل فیزیک به پژوهش‌های مرتبط به نوترینو تعلق می‌گیرد؛ ذره‌ اسرارآمیزی که به قول یکی از کاشفان‌‌ آن، فردریک رینز، "ریزترین کمیتی از واقعیت" است "که تاکنون در مخیّله نوع بشر گنجیده است".

نوترینو ذره‌ای است که وجود آن از سال ۱۹۳۱ به‌عنوان تمهیدی برای حفظ اصل پایستگی انرژی در چارچوب واکنش‌هایی موسوم به «واپاشی بتا» پیش‌بینی شده بود (واکنش‌هایی که در جریان‌شان یک نوتریون به یک پروتون، یا بالعکس، بدل می‌شود). این واکنش‌ها حضور پررنگی در فرآیندهای همجوشی هسته‌ای در قلب ستارگان، و همچنین رآکتورهای هسته‌ای دارند.

کشف نوترینوها در واقع موضوع دومین (و نه اولین) جایزه نوبلی بود که در رابطه با این ذره به فیزیکدانان تعلق می‌گرفت. کلاید کووَن و فردریک ریتز موفق شده بودند با گذشت ۲۵ سال از پیش‌بینی ولفگانگ پائولی مبنی بر وجود نوترینوها، این ذرات فوق‌العاده کوچک و گریزپا را در مجاورت رآکتوری متعلق به سایت هسته‌ای هانفورد واشنگتن به دام بیاندازند. ادوات آزمایش، دو مخزن دویست‌لیتری آب خالص با محلول کلرید کادمیوم، و ۱۱۰ حسگر نوری بود.

از آنجاکه نوترینوها ذراتی فوق‌العاده ریز (با سطح مقطع واکنشی‌ای به شعاع  ۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۲ / ۰ متر هستند)، تنها راه گیر انداختن‌شان افزایش هرچه‌بیشتر سطح مقطع برخوردهای احتمالی‌ آنها با سطوح آشکارساز است. حضور در نزدیکی یک رآکتور هسته‌ای، به آشکارساز کوون و ریتز این مزیت را می‌داد که شار نوترینوهای دریافتی‌‌ آن بین هزار تا ده‌هزار میلیارد نوترینو در هر ثانیه در هر سانتیمتر مربع باشد. حاصل ضرب چنین اعداد سرسام‌آوری، احتمال تشخیص غیرمستقیم نوترینوها را به سطح قابل قبولی از دقت ارتقا می‌داد – و چنین نیز شد. در سال ۱۹۵۶ بود که نوترینوها نهایتاً تشخیص داده شدند و به پاس همین دستاورد، رینز بخشی از جایزه نوبل فیزیک ۱۹۹۵ را از آن خود کرد (همکار وی، کوون در سال ۱۹۷۴ درگذشته بود).

اما نخستین جایزه نوبل فیزیک مرتبط به نوترینوها، در سال ۱۹۸۸ به لیان لدرمن، ملوین شوارتز، و جک اشتینبرگر تعلق گرفته بود. این سه فیزیکدان در سال ۱۹۶۲ موفق به کشف نوع دومی از نوترینوها شده بودند. در چارچوب مدل استاندارد ذرات، نوترینوها در کنار الکترون‌ها و میون‌ها (که هر سه هیچ نقشی در ساختاربندی هسته اتم ایفا نمی‌کنند)، به مجموعه‌ای تحت عنوان «لپتون‌«ها شکل می‌دهند (در برابر مجموعه‌ذراتی موسوم به «کوارک»‌ها که به ساختار هسته اتم شکل می‌دهند). کوون و ریتز موفق به کشف نوترینوهایی از نسل اول لپتون‌ها، موسوم به «الکترون‌نوترینو» شده بودند؛ حال‌آنکه لدرمن، شوارتز، و اشتینبرگر نوترینوهایی از نسل دوم لپتون‌ها، موسوم به «میون‌نوترینو» را کشف کرده بودند.

دلیل اختصاص دیرهنگام جایزه نوبل فیزیک به موضوع «کشف» نوترینو (یا به عبارت بهتر، کشف الکترون‌نوترینو) شاید این بود که بخشی از همان جایزه سال ۱۹۹۵، به مارتین پرل اهدا شد؛ کاشف سومین نوع نوترینو، از نسل سوم لپتون‌ها (موسوم به «تاو-نوترینو»).

لذا کاشفان هر سه نوع از نوترینوها (یا به قول فیزیکدانان، هر سه «طعم» از نوترینوها) سهمی از جوایز نوبل فیزیک را هم به خود اختصاص داده‌اند.

از طرح تا حل «معمای نوترینوهای خورشیدی»

از کلیدی‌ترین فرآیندهایی که منجر به تولید انرژی عظیم ستارگان می‌شود، واکنشی است موسوم به «زنجیره پروتون-پروتون». این واکنش با شرکت چهار اتم هیدروژن آغاز می‌شود و به تولید یک اتم هلیوم و دو اتم هیدروژن می‌انجامد. گام اول از این واکنش چندمرحله‌ای، ترکیب دو هسته هیدروژن (یا دو پروتون) به یک هسته دوتریوم (متشکل از یک پروتون و یک نوترون) است، که با تولید یک پوزیترون و یک نوترینو به‌عنوان فرآورده‌های جانبی همراه است (پوزیترون، ذره‌ای هم‌جرم با الکترون اما با بار مثبت است). فرآیندهای کم‌رنگ‌تری هم به فعل و انفعالات گرماهسته‌ای خورشید شکل می‌دهند، که باز نام نوترینو در بین فرآورده‌های جانبی‌شان به چشم می‌خورد.

طبق مدل‌سازی‌های اخترشناسان از ساختار درونی خورشید، میزان شار دریافتی از نوترینوهای خورشیدی در زمین می‌بایستی معادل هفتاد میلیارد نوترینو در هر ثانیه در هر سانتیمتر مربع باشد.

در اواخر دهه ۱۹۶۰ بود که فیزیکدانان آمریکایی، ریموند دیویس و جان باکال دست به ساخت آشکارساز بزرگی برای سنجش شار نوترینوهای دریافتی از خورشید زدند. این آشکارساز، حاوی ۳۷۸ هزار لیتر ترکیب تتراکلرواتیلن بود که در عمق ۱۴۷۸ متری زمین، در معدن طلای هومستیک، واقع در ایالت داکوتای شمالی مستقر شده بودند. دلیل استقرار آشکارساز در عمق زمین این بود که تأثیر پرتوهای مزاحم کیهانی و سایر نویزهای پس‌زمینه به حداقل برسد.

در واقع نوترینوها به حدی کوچک‌اند که می‌توانند از دیواری سربی به ضخامت یک سال نوری بگذرند و در مسیرشان به هیچ ذره دیگری برخورد نکنند. لذا می‌توان با استقرار آشکارسازهای نوترینویی در عمق زمین اطمینان یافت که تنها ذرات کیهانی‌ای که می‌توان از آن اعماق تشخیص‌شان داد، همان نوترینوها هستند.

اگرچنانچه نوترینویی با اتم‌های کلر-۳۷ واقع در مولکول تتراکلرواتیلن برخورد کند، یک اتم رادیواکتیو آرگون-۳۷ و یک الکترون آزاد می‌شود. لذا با شمارش اتم‌های آرگون-۳۷ تولیدشده به مرور زمان، می‌توان تخمین نسبتاً دقیقی از شار نوترینوهای دریافتی از خورشید حاصل کرد. اما دیویس و باکال فقط یک‌سوم از شار پیش‌بینی‌شده نوترینوهای خورشیدی را در آشکارساز خود تشخیص دادند.

محاسبات مستقل آشکار عظیم کامیوکانده در ژاپن، و نیز «رصدخانه نوترینویی سادبری» (SNO) در معدن زیرزمینی‌ کرایتون، واقع در اونتاریوی کانادا هم طی دهه‌های آتی، نتایج نومیدکننده آشکارساز هومستیک را به تأیید می‌رساندند: به نظر می‌رسید که پیش‌بینی‌های اخترشناسان با مشاهدات فیزیکدانان منطبق نیست؛ در این بین، می‌بایست احتمال خطا را یا به مدل‌سازی‌های اخترشناسان از هسته خورشید نسبت داد، یا به درک فیزیکدانان از ساختار ماده.

طرفداران حالت اول این‌چنین استدلال می‌کردند که امکان دارد هسته خورشید از مدت‌ها پیش ضعیف شده باشد، اما از آنجاکه فوتون‌های تولید‌شده در هسته، به‌واسطه محیط یونیزه قلب ستاره، هزاران سال طول می‌کشد تا به سطح خورشید و در نتیجه به چشم ما برسند، همچنان خورشیدمان را در وضعیت فعال می‌بینیم – حال‌آنکه نوترینوها به یمن ابعاد فوق‌العاده ریزشان، چنین سدی را در برابر خود نمی‌بینند و مستقیماً از فعل و انفعالات قلب هم‌اینک بی‌رمق خورشید گزارش می‌دهند.

اما طرفداران حالت دوم استدلال عجیب‌تری مطرح می‌کردند: در طی مدت ۸ دقیقه‌ای که طول می‌کشد تا نوترینوها (با سرعتی نزدیک به سرعت نور) از سطح خورشید به آشکارسازهای زمینی برسند، احتمال دارد این ذرات دچار یک دگردیسی زیراتمی بشوند و از طعمی به یک طعم دیگر تحول یابند. از آنجا هم که آشکارسازهای فیزیکدانان اغلب به تنها یک طعم از نوترینوها (یعنی «الکترون‌نوترینو») حساس‌اند، احتمال دارد که ما فقط قادر به تشخیص یک‌سوم نوترینوهای دریافتی از خورشید باشیم و تشخیص آن دوسوم باقیمانده از دست‌مان ساخته نباشد.

در واقع احتمال چنین دگردیسی‌ای از سال ۱۹۶۸ پیش‌بینی شده بود؛ اما تنها منوط به اینکه نوترینوها واجد جرم باشند – حال‌آنکه در آن مقطع، نوترینو ذره‌ای بی‌جرم (همچون فوتون) فرض می‌شد.

سال ۱۹۸۷، نقطه عطفی در تحقیقات فیزیکدانان راجع به نوترینو بود. در ۲۳ فوریه آن سال، ستاره‌ای واقع در «ابر ماژلانی بزرگ» (یکی از دو قمر کهکشان‌مان، راه شیری) به هیأت یک انفجار ابرنواختری از میان رفت، و به دنبالش جریان سهمگینی از نوترینوها را به فضا آزاد کرد. هرچند که سهم زمین (در فاصله ۱۶۸هزار سال نوری از آن انفجار) جریان نسبتاً ضعیفی از این نوترینوهای پرانرژی بود، اما همین سهم ناچیز هم بصیرت‌های ارزنده‌ای را نصیب فیزیکدانان کرد.

آشکارساز کامیوکانده در ژاپن از شیوه‌ای برای تشخیص نوترینوها بهره می‌بُرد که می‌شد از طریق آن حتی به جهت حرکت‌ این ذرات هم پی برد: پس از برخورد یک نوترینو به یک پروتون (در مخازن محتوی آب سنگین)، الکترونی آزاد می‌شود که سرعت حرکت آن از سرعت حرکت نور در آب بالاتر است (دقت کنید که سرعت نور تنها «در خلاء» غیرقابل تخطی است). این پدیده (یعنی حرکت هر ذره‌ای با سرعتی فراتر از سرعت نور در آن محیط)، با گسیل تابشی موسوم به «تابش چرنکوف» همراه است که جهت پراکندگی‌ این تابش هم‌ارز با جهت برخورد نوترینو به آشکارساز است.

وقوع ابرنواختر سال ۱۹۸۷ از آن جهت حائز اهمیت بود که فیزیکدانان برای نخستین بار شاهد گسیل ناگهانی نوترینوهای کیهانی از سمتی به غیر از سمت خورشید بودند؛ به‌طوری‌که می‌شد لحظه برخورد نوترینوهای دریافتی «از آن جهت» را به دقت اندازه گرفت. اما عجیب آنجا بود که ناهمخوانی بسیار ناچیزی بین زمان دریافت نوترینوهای گسیلی از آن ابرنواختر در آشکارساز کامیوکانده ژاپن، و آشکارساز نوترینویی «ایروین-میشیگان-بروک‌هیون» (IMB) در معدن فیرپورت اوهایو تشخیص داده شد. هرچند که شار نوترینوهای دریافتی از این ابرنواختر به حدی نبود که بتوان نتیجه‌ای قطعی از این ناهمزمانی گرفت، اما بهترین توضیحی که می‌شد برای آن مطرح کرد، «جرم‌دار» بودن نوترینوها بود.

یک دهه باید می‌گذشت تا آشکارساز ارتقایافته «سوپرکامیوکانده» در ژاپن، فرض دگردیسی نوترینوها و لذا جرم‌دار بودن‌شان را به تأیید تجربی برساند: از جمله فرآورده‌های جنبی برخورد پرتوهای کیهانی به مولکول‌های جو فوقانی زمین، تولید «میون‌نوترینوها» است. محققین آشکارساز سوپرکامیوکانده متوجه شدند که شار دریافتی از نوترینوهایی که دقیقاً از بالای آشکارساز وارد می‌شدند، بیشتر از متوسط شار نوترینوهای دریافتی از سایر جهات است. این می‌توانست نشانه‌ای دال بر تبدیل میون‌نوترینوها به طعمی دیگر باشد؛ چراکه در طول مسافت نسبتاً کم جو فوقانی زمین تا سطح آشکارساز، میون‌نوترینوهای تولیدشده در جو هم فرصت کمتری برای دگردیسی دارند، و لذا آشکارساز سوپرکامیوکانده (که تنها به میون‌نوترینوها حساس است) مقادیر بیشتری میون‌نوترینو را از سمت جو زمین دریافت می‌کند.

سه سال بعد، شواهد مستقلی مبنی بر وقوع دگردیستی نوترینوها در مشاهدات آشکارساز سادبری کانادا هم به دست آمد. این آشکارساز قادر به تمیز الکترون‌نوترینوها از میون‌نوترینوها و تاو-نوترینوهاست؛ و مشاهدات پیگیرش از خورشید نشان می‌داد که حدود ۳۵ درصد از نوترینوهای خورشیدی از طعم الکترون‌نوترینو هستند، حال‌آنکه مابقی‌شان از دو طعم دیگرند.

بدین‌وسیله معمای نوترینوهای خورشیدی، با تحول درک فیزیکدانان از ساختار ماده بود که حل شد؛ تحولی که ضرورت انجام اصلاحاتی ولو اندک را در مدل استاندارد ذرات به فیزیکدانان گوشزد می‌کرد. یک سال بعد (۲۰۰۲)، بخشی از جایزه نوبل فیزیک به ریموند دیویس رسید، به پاس کشف نوترینوهای کیهانی و بنیادگذاری «اخترشناسی نوترینویی».

و هم‌اینک جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۵ به پژوهشگران ارشد مطالعات نوترینویی در آشکارسازهای سوپرکامیوکانده ژاپن و سادبری کانادا اهدا می‌شود، که مستقلاً فرض جرم‌دار بودن نوترینوها و لذا امکان دگردیسی‌شان از طعمی به طعم دیگر را در حدفاصل سالیان ۱۹۹۸ تا ۲۰۰۱ به تأیید تجربی رساندند.