ذره 'ابرقهرمان'؛ چرا نوترینو برنده نوبل فیزیک شد

پل رینکون دبیر اخبار علمی بی بی سی نیوز

• 8 اکتبر 2015 - 16 مهر 1394

جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۵ به این کشف تعلق گرفته که نوترینوها تغییر هویت می دهند. چرا این کشف مستحق مهم ترین جایزه علمی جهان شناخته شده؟

وجود این ذرات را ابتدا ولفگانگ پاولی دانشمند اتریشی در سال ۱۹۳۰ پیش بینی کرد. نوترینوها یکی از حدودا ۱۷ عنصر ساختمانی غیرقابل تقسیم در جهان هستند.
نوترینوها در عالم ذرات بنیادی ریزتر از اتم، به ندرت با سایر ذرات کنش دارند.
دانشمندان تخمین می زنند که نوترینوها می توانند از قطعه ای از سرب به قطر ۱۰ تریلیون کیلومتر (به عبارت دیگر یک سال نوری) عبور کنند بی آنکه به یک اتم آن برخورد کنند.
با این حال این ذرات همه جا هستند. هرچند از وجودشان آگاه نیستیم، اما میلیاردها عدد از این ذره هر ثانیه از بدن ما رد می شود.
از وقتی که ولفگانگ پاولی وجود این ذره را پیش بینی کرد، تا زمانی که عملا توسط فردریک راینز و کلاید کوان فیزیکدانان آمریکایی کشف شد، ربع قرن طول کشید.
دانشمندان خیلی صبر کرده اند اما ظاهرا صبرشان به ثمر نشسته: به نظر می رسد که نوترینو در درک بسیاری از معماهای فیزیک مدرن نقشی کاملا حیاتی دارد؛ مثلا شاید درک این معما که چرا کیهان عمدتا از ماده تشکیل شده.
فیزیک نوبل امسال به خاطر یافتن پاسخ یکی از اولین سوالات مربوط به فیزیک نوترینو اعطا شد.

تغییر هویت

در دهه ۱۹۶۰، نظریه پردازان شمار نوترینوهایی که باید در واکنش هسته ای در داخل خورشید تولید شود را حساب کردند.
اما اندازه گیری های بعدی این نوترینوهای خورشیدی نشان داد که فقط یک سوم میزان محاسبه شده قابل ردیابی است.
دانشمندان استدلال کردند که شاید محاسبات غلط باشد. اما توضیح دیگری هم ممکن بود:‌ اگر نوترینوها هویت خود را تغییر دهند چه؟
نوترینوها هم مثل شخصیت های سینما به راحتی در ظاهری متفاوت نمایان می شوند.
نوترینوها سه هویت دارند: نوترینوی الکترونی، نوترینوی میونی و نوترینوی تائو.
تصور می شود که آنها بین این سه تغییر هویت می دهند.
پروفسور آلفونز وبر فیزیکدان ذرات در دانشگاه آکسفورد به بی بی سی گفت:‌ "مثل این است که کسی سیب هوا بیاندازد، اما پرتقال توی دستش فرود بیاید."
خورشید فقط نوترینوهای الکترونی تولید می کند. اما اگر اینها در مسیر حرکت به سوی زمین به دو نوع دیگر بدل شوند، مشاهدات تجربی با نظریات تطبیق خواهد یافت.
برای کشفی که جایزه نوبل به آن تعلق گرفت از دو مرکز علمی استفاده شد: ردیاب سوپر-کامیوکاند در ژاپن و رصدخانه نوترینوی سادبری در کانادا.
هر دو ردیاب در عمق زمین ساخته شده اند، تا امواجی که ممکن است مزاحم ردیابی علائم نوترینو شود را حذف کنند.
هر دو مرکز در نهایت موفق به تایید هویت متغیر این ذره شدند.

سوال بزرگ

پروفسور وبر گفت: "جایزه نوبل برازنده این دو فیزیکدان و آزمایش های آنهاست."
"البته نباید خیلی غیرمنتظره می بود چون کشف تغییر نوترینوها (که او آن را انتقال از یک نوع به نوع دیگر می خواند) برای من چیزی در حد و اندازه کشف بوزون هیگز بود."
کشف بوزون هیگز - که به خودی خود شگفت انگیز بود - درها را به روی سایر کشفیات گشود.
نظریه غالب فیزیک ذرات موسوم به مدل استاندارد، این است که نوترینوها مثل فوتون ها جرم ندارند. اما تغییر هویت نوترینوها نیازمند جرم است.
پروفسور استفان سولدنر رمبالد از دانشگاه منچستر به بی بی سی گفت:‌ "کشف جرم نوترینو و نوسان نوترینو اولین ترک در مدل استاندارد فیزیک ذرات بود."
توانایی تغییر نوترینو همچنین ممکن است کلید درک علت تشکیل کیهان عمدتا از ماده و نه همتای شبح وار آن، ضدماده، باشد.
تصور می شود که در جریان مه بانگ (بیگ بنگ) به یک اندازه ماده و ضدماده تولید شده باشد. اما وقتی یک ذره ماده به ضدماده اش برخورد می کند، هر دو با انتشار انرژی ناپدید می شوند.
اگر برخورد ضدماده و ماده بی وقفه ادامه می یافت، کیهان فقط متشکل از فوتون ها می بود و نه چیز زیاد دیگری.
اما تغییر شکل نوترینو و ضدنوترینو شاید کفه ترازو را به نفع ماده سنگین تر کرده باشد.
پروفسور وبر می گوید: "به درستی درک نشده. اما اگر نوسان نوترینوها متفاوت از ضدنوترینوها باشد، تحت شرایط خاص در اوایل تشکیل کیهان، انتقال متفاوت نوترینوها به یک نوع و بعد به نوع دیگر، و تبدیل ضدنوترینوها به یک نوع و بعد نوع دیگر، ممکن است بیشتر به تشکیل ماده منجر شده باشد تا ضدماده."
شاید هم نوترینوی ناقابل مثل ابرقهرمان کتاب های مصور، ما را از نابودی نجات داده باشد.