فیزیکدانان بیش از هر زمان دیگری به اندازه‌گیری نوترینوی گریزان نزدیک می‌شوند

دانشمندان از یک “مقیاس نوترینو” 200 تنی برای اندازه گیری ذرات گریزان استفاده کردند.

 برداشت هنری از نوترینوهای ایجاد شده در یک ابرنواختر. (اعتبار تصویر: Naeblys via Shutterstock)

ذرات شبح مانند به نام نوترینو به ندرت با ماده معمولی برهمکنش می‌کنند و قدرت پنهانی فوق‌العاده‌ای دارند. آنها به قدری گریزان هستند که در دهه‌های پس از کشف اولیه، فیزیکدانان هنوز جرم آنها را مشخص نکرده‌اند. اما اخیراً، دانشمندان با قرار دادن آنها در یک “مقیاس نوترینو” 200 تنی، محدودیت جدیدی برای جرم نوترینو در نظر گرفته‌اند.

نتیجه: بسیار بسیار کوچک است.

با حساس‌ترین مقیاس نوترینوی جهان، فیزیکدانان سیل داده‌ها را تجزیه و تحلیل کردند تا مشخص کنند که ذره گریزان سنگین‌تر از 0.8 الکترون ولت (eV) نیست، اولین باری است که آزمایشی به زیر آستانه 1 eV برای وزن هر زیراتمی می‌رسد. برای مقایسه ذره، وزن یک الکترون حدود 511000 eV یا 9.11 x 10^-31 کیلوگرم است.

پازل‌های نوترینو

نوترینوها شاید دردسرسازترین ذرات شناخته شده در فیزیک باشند. در مدل استاندارد فیزیک ذرات، توضیح استاندارد طلایی برای چگونگی عملکرد طبیعت در سطح بنیادی، نوترینوها اصلاً نباید جرم داشته باشند. این به دلیل نگرش درونگرای ذره نسبت به بقیه قلمرو کوانتومی آن است. سایر ذرات، مانند الکترون‌ها، جرم خود را از طریق تعامل با میدان کوانتومی ایجاد شده توسط ذره بوزون هیگز به دست می‌آورند. (تصور کنید یک ذره از میان حوضچه‌ای آب می‌گذرد در مقابل ذره‌ای که مجبور است از داخل یک وان شیره عبور کند و می‌توانید ببینید که چگونه میدان هیگز می‌تواند جرم‌های مختلفی را روی ذرات برهم کنش با آن ایجاد کند.) اما چنین مکانیسمی برای نوترینوها وجود ندارد و بنابراین برای چندین دهه فیزیکدانان فقط تصور می‌کردند که مانند فوتون‌ها، ذرات کوچک کاملاً بدون جرم هستند.

و این ایده از یک نوترینو بدون جرم برای مدتی در زمینه فیزیک کار کرد، حتی پس از کسب اطلاعات بیشتر در مورد نوترینوها، مانند این واقعیت که آنها در سه نوع یا “طعم” هستند، یکی برای هر نوع تعاملی که می‌توانند انجام دهند. مشارکت در: الکترون نوترینوها همراه با الکترونها ظاهر می‌شوند. میون-نوترینوها با میون‌ها جفت می‌شوند و تاو نوترینوها همراه با ذرات تاو هستند. این ایده از طعم‌ها به خوبی با یک نوترینوی بدون جرم مطابقت دارد. اما پس از آن در دهه 1960، فیزیکدانان متوجه شدند که این سه گونه نوترینو می‌توانند “نوسان” کنند، یا در حین سفر از طعمی به طعم دیگر تغییر کنند.

نوترینوها برای نوسان بین طعمها به جرم نیاز دارند و معلوم شد که مانند طعم‌ها، سه توده نوترینو متفاوت وجود دارد. برای اینکه نوسان کار کند، سه جرم باید بزرگتر از صفر باشند و همه متفاوت باشند. به این ترتیب، سه جرم با سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کنند و طعم‌ها بسته به حالت کوانتومی سه جرم در نوسان هستند. اگر جرمها همه صفر بودند، نوترینوها با سرعت نور حرکت می‌کردند و فرصتی برای نوسان نداشتند. با این حال، هر توده با یک طعم خاص مطابقت ندارد و در عوض هر طعم از ترکیبی از این توده‌ها تشکیل شده است. برای مثال آنچه ما به عنوان الکترون-نوترینو می بینیم، ترکیب پیچیده‌ای از سه نوترینو مختلف با سه جرم متفاوت است.

تا به امروز، فیزیکدانان جرم سه نوترینو را نمی‌دانند. آن‌ها فقط محدودیت‌هایی دارند که توسط آزمایش‌های مختلف بر روی مجموع جرم ترکیبی نوترینو و برخی از تفاوت‌های جرم‌ها بین نوترینوهای مختلف ارائه شده است.

مشخص کردن جرم هر یک از گونه‌های نوترینو کمک بزرگی در فیزیک ذرات خواهد بود، زیرا ما نمی‌دانیم آنها چگونه جرم دارند. مدل‌های نظری زیادی وجود دارد، اما نمی‌دانیم کدام درست است. توده ای شناخته شده می‌تواند به این تلاش کمک کند.

در آلمان، دستگاه KATRIN (آزمایش نوترینو تریتیوم کارلسروهه) مؤسسه فناوری کارلسروهه دقیقاً برای انجام این کار طراحی شده است. این دستگاه دارای مقدار بسیار زیاد تریتیوم و یک طیف‌سنج غول‌پیکر ۲۰۰ تنی (۱۸۰ تنی) است که انرژی الکترون‌ها را اندازه‌گیری می‌کند.

تریتیوم یک ایزوتوپ نادر و رادیواکتیو هیدروژن است که حاوی یک پروتون و دو نوترون است. به طور طبیعی از طریق فرآیندی به نام واپاشی بتا تجزیه می‌شود که در آن یکی از نوترون‌های درون هسته به طور خود به خود به یک پروتون تبدیل می‌شود (از طریق تعاملی که شامل نیروی هسته‌ای ضعیف است). نتیجه چیست؟ این تبدیل منجر به گسیل یک الکترون و یک الکترون پادنوترینو، شریک ضد ذره الکترون-نوترینو می‌شود.

مقدار انرژی آزاد شده توسط واکنش توسط انرژی هسته‌ای اتم تریتیوم تنظیم می‌شود، بنابراین الکترون و نوترینو باید در مجموع 18.6 کیلو ولت انرژی بین آنها به اشتراک بگذارند. از آنجایی که تریتیوم اتم بسیار سبکی است، این یکی از کمترین انرژی‌های ممکن برای نوترینوها است که اندازه‌گیری جرم ریز نوترینو را تا حد امکان آسان می‌کند.

گاهی اوقات این واکنش انرژی بیشتر و کمتری به نوترینو می‌دهد. هر چه باقی مانده باید به سمت الکترون برود. اگر نوترینو بدون جرم باشد، پس هیچ محدودیتی برای انرژی وجود ندارد که می‌تواند داشته باشد، درست مانند هیچ محدودیتی برای انرژی که یک فوتون می‌تواند داشته باشد. اما اگر نوترینو جرم داشته باشد، در آن صورت همیشه انرژی جرم استراحت خود را خواهد داشت (یعنی انرژی ذخیره شده در یک نوترینو در حالت سکون به دلیل جرم آن). (به یاد داشته باشید، طبق معادله معروف اینشتین E=mc^2، انرژی برابر است با جرم ضرب در یک عدد ثابت، سرعت نور مجذور).

بنابراین نام بازی با KATRIN اندازه‌گیری انرژی الکترون‌هایی است که از تجزیه تریتیوم با استفاده از طیف‌سنج غول‌پیکر آن خارج می‌شوند. الکترون‌های پرانرژی دارای انرژی نزدیک به 18.6 eV هستند، اما فقط کمی کوتاه می‌شوند. این تفاوت دقیقاً به دلیل جرم نوترینو است.

فراتر از مرزها

اندازه‌گیری جرم نوترینو با KATRIN در سال 2019 آغاز شد و تاکنون فیزیکدانان آن را به یک علم تبدیل کرده‌اند. گایودو درکسلین از KIT، رهبر پروژه و یکی از دو سخنگوی آزمایش گفت: “KATRIN به عنوان یک آزمایش با بالاترین نیازهای تکنولوژیکی اکنون مانند یک ساعت کامل اجرا می‌شود.”

آزمایش به بارهای واکنش فروپاشی تریتیوم نیاز داشت. هماهنگ‌کننده‌های ماگنوس اسچلوسردر KIT و سوزان مرتنز از مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک و دانشگاه فنی مونیخ می‌گویند: «این کار پرزحمت و پیچیده تنها راه برای حذف سوگیری سیستماتیک نتیجه ما به دلیل فرآیندهای تحریف‌کننده بود». این “تحریفها” همه منابع احتمالی آلودگی هستند که می‌توانند انرژی الکترون در سیگنال را نیز مانند اثرات میدان‌های مغناطیسی و ناکارآمدی در آشکارساز تحت تاثیر قرار دهند.

در آخرین نسخه، تیم انرژی بیش از 3.5 میلیون الکترون منفرد را اندازه‌گیری کرد. این عدد به خودی خود نشان‌دهنده کمتر از یک هزارم کل الکترون‌هایی است که تریتیوم ساطع می‌کند، زیرا این تیم فقط به الکترون‌های با بالاترین انرژی برای بررسی جرم نوترینو علاقه‌مند بود.

پس از چنین تلاش شگرفی، همکاری بین‌المللی تأیید کرد که نوترینو بزرگتر از 0.8 eV نیست. کار بیشتر با KATRIN برای اصلاح این نتیجه و احتمالاً کشف گونه‌های دیگری از نوترینوها ادامه خواهد داد.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Physicists get closer than ever to measuring the elusive neutrino

By Paul Sutter 

https://www.livescience.com/physicists-close-to-measuring-neutrino