نوترینو یک ذره بنیادی است که بسیار شبیه به الکترون است، اما بار الکتریکی ندارد. جرم بسیار کمی دارد که حتی ممکن است صفر باشد. سرعت نوترینو به جرم نیز بستگی دارد. تفاوت در زمان رسیدن ذره و نور 0.0006٪ (± 0.0012٪) است. در سال 2011، در طی آزمایش OPERA، مشخص شد که سرعت نوترینوها از سرعت نور بیشتر است، اما تجربه مستقل این را تایید نکرد.
ذره گریزان
این یکی از رایج ترین ذرات در جهان است. از آنجایی که تعامل بسیار کمی با ماده دارد، تشخیص آن بسیار دشوار است. الکترون‌ها و نوترینوها در برهمکنشهای هسته‌ای قوی شرکت نمی‌کنند، اما به همان اندازه در برهمکنشهای ضعیف شرکت می‌کنند. ذرات با این ویژگی ها لپتون نامیده می شوند. علاوه بر الکترون (و پاد ذره آن، پوزیترون)، لپتون‌های باردار شامل میون (جرم 200 الکترون)، تاو (جرم 3500 الکترون)، و پادذره‌های آنها هستند. به آنها می گویند: الکترون، میون و تاو نوترینو. هر کدام یک جزء ضد مادی به نام آنتی نوترینو دارند.
میون و تاو، مانند یک الکترون، دارای ذرات همراه خود هستند. این نوترینوهای میون و تاو هستند. این سه نوع ذرات با یکدیگر متفاوت هستند.به عنوان مثال، هنگامی که نوترینوهای میون با یک هدف تعامل دارند، همیشه میون تولید می کنند، هرگز تاو یا الکترون تولید نمی کنند. در برهمکنش ذرات، اگرچه الکترون ها و الکترون نوترینوها را می توان ایجاد و از بین برد، اما مجموع آنها بدون تغییر باقی می ماند. این واقعیت منجر به تقسیم لپتون ها به سه نوع می شود که هر کدام دارای یک لپتون باردار و یک نوترینوی همراه هستند.
آشکارسازهای بسیار بزرگ و بسیار حساس برای شناسایی این ذره مورد نیاز است. به طور معمول، نوترینوهای کم انرژی قبل از تعامل با ماده، سال های نوری زیادی را طی می کنند. در نتیجه، تمام آزمایش‌های زمینی با آنها به اندازه‌گیری کسر کوچک آنها در تعامل با ضبط‌کننده‌هایی با اندازه معقول تکیه می‌کنند. به عنوان مثال، در رصدخانه نوترینو سادبری، حاوی 1000 تن آب سنگین، حدود 1012 نوترینو خورشیدی در ثانیه از آشکارساز عبور می کند. و فقط 30 عدد در روز یافت می شود.
تاریخچه کشف
ولفگانگ پائولی برای اولین بار وجود یک ذره را در سال 1930 فرض کرد. مشکلی در آن زمان به وجود آمد زیرا به نظر می رسید که انرژی و تکانه زاویه ای در واپاشی بتا حفظ نشده است. اما پاولی خاطرنشان کرد که اگر یک ذره نوترینوی خنثی غیر متقابل منتشر شود، قانون بقای انرژی رعایت خواهد شد. فیزیکدان ایتالیایی انریکو فرمی در سال 1934 نظریه واپاشی بتا را ارائه کرد و نام آن را به ذره داد.
علی رغم همه پیش بینی ها، به مدت 20 سال نوترینوها به دلیل برهمکنش ضعیف آن با ماده به صورت تجربی قابل شناسایی نبودند. از آنجایی که ذرات الکتریکی نیستندباردار شده، تحت تأثیر نیروهای الکترومغناطیسی قرار نمی گیرند و بنابراین باعث یونیزاسیون ماده نمی شوند. علاوه بر این، آنها با ماده تنها از طریق برهمکنش ضعیف با قدرت ناچیز واکنش نشان می دهند. بنابراین، آنها نافذترین ذرات زیراتمی هستند که می توانند از تعداد زیادی اتم بدون ایجاد واکنش عبور کنند. تنها 1 در 10 میلیارد از این ذرات، که در طول ماده مسافتی برابر با قطر زمین را طی می کنند، با یک پروتون یا نوترون واکنش می دهند.
سرانجام در سال 1956، گروهی از فیزیکدانان آمریکایی به رهبری فردریک رینز کشف الکترون ضد نوترینو را اعلام کردند. در آزمایش‌های او، پادنوترینوهای ساطع شده از یک راکتور هسته‌ای با پروتون‌ها برهمکنش کردند و نوترون‌ها و پوزیترون‌ها را تشکیل دادند. امضاهای انرژی منحصر به فرد (و نادر) این آخرین محصولات جانبی شواهدی را برای وجود این ذره فراهم می کند.
کشف لپتون های میون باردار نقطه شروعی برای شناسایی بعدی نوع دوم نوترینو - میون شد. شناسایی آنها در سال 1962 بر اساس نتایج یک آزمایش در یک شتاب دهنده ذرات انجام شد. نوترینوهای مویونی پرانرژی با واپاشی پی مزون ها تولید شده و به گونه ای به آشکارساز فرستاده می شوند که بتوان واکنش آنها را با ماده بررسی کرد. اگرچه آنها غیر فعال هستند، مانند انواع دیگر این ذرات، اما مشخص شده است که در موارد نادری که با پروتون ها یا نوترون ها واکنش می دهند، میون-نوترینوها میون تشکیل می دهند، اما هرگز الکترون را تشکیل نمی دهند. در سال 1998، فیزیکدانان آمریکایی لئون لدرمن، ملوین شوارتز و جک اشتاین برگرجایزه نوبل فیزیک را برای شناسایی میون-نوترینو دریافت کرد.
در اواسط دهه 1970، فیزیک نوترینو با نوع دیگری از لپتون های باردار - تاو - پر شد. نوترینو تاو و آنتی نوترینو تاو با این لپتون باردار سوم مرتبط هستند. در سال 2000، فیزیکدانان در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده. انریکو فرمی اولین شواهد تجربی برای وجود این نوع ذره را گزارش کرد.
توده
همه انواع نوترینوها دارای جرمی بسیار کمتر از همتایان باردار خود هستند. به عنوان مثال، آزمایشات نشان می دهد که جرم الکترون-نوترینو باید کمتر از 0.002 درصد جرم الکترون باشد و مجموع جرم های سه گونه باید کمتر از 0.48 eV باشد. برای سال‌ها به نظر می‌رسید که جرم یک ذره صفر است، اگرچه هیچ مدرک نظری قانع‌کننده‌ای وجود نداشت که چرا باید چنین باشد. سپس، در سال 2002، رصدخانه نوترینوی سادبری اولین شواهد مستقیمی را ارائه کرد که نشان می‌دهد الکترون-نوترینوها از واکنش‌های هسته‌ای در هسته خورشید هنگام حرکت در آن، نوع تغییر می‌کنند. اگر یک یا چند نوع ذره مقداری جرم کوچک داشته باشند، چنین «نوسان‌هایی» از نوترینوها ممکن است. مطالعات آنها در مورد برهمکنش پرتوهای کیهانی در جو زمین نیز وجود جرم را نشان می‌دهد، اما برای تعیین دقیق‌تر آن به آزمایش‌های بیشتری نیاز است.
منابع
منابع طبیعی نوترینوها، تجزیه رادیواکتیو عناصر در روده های زمین است که در آنجریان بزرگی از الکترون های کم انرژی - پادنوترینو منتشر می شود. ابرنواخترها نیز یک پدیده عمدتاً نوترینو هستند، زیرا فقط این ذرات می توانند به مواد فوق متراکم تولید شده در یک ستاره در حال فروپاشی نفوذ کنند. فقط بخش کوچکی از انرژی به نور تبدیل می شود. محاسبات نشان می دهد که حدود 2 درصد از انرژی خورشید انرژی نوترینوهایی است که در واکنش های همجوشی گرما هسته ای تولید می شود. این احتمال وجود دارد که بیشتر ماده تاریک در جهان از نوترینوهای تولید شده در طول انفجار بزرگ تشکیل شده باشد.
مشکلات فیزیک
زمینه های مربوط به نوترینوها و اخترفیزیک متنوع و به سرعت در حال توسعه هستند. سؤالات فعلی که تعداد زیادی از تلاش های تجربی و نظری را به خود جلب کرده است به شرح زیر است:
- جرم نوترینوهای مختلف چقدر است؟
- چگونه بر کیهان شناسی انفجار بزرگ تأثیر می گذارند؟
- آیا آنها نوسان دارند؟
- آیا نوترینوها از یک نوع می توانند در حین حرکت در ماده و فضا به نوع دیگری تبدیل شوند؟
- آیا نوترینوها اساساً با پادذراتشان متفاوت هستند؟
- ستاره ها چگونه فرو می ریزند و ابرنواخترها را تشکیل می دهند؟
- نقش نوترینوها در کیهان‌شناسی چیست؟
یکی از مشکلات دیرینه مورد توجه خاص، به اصطلاح مشکل نوترینوی خورشیدی است. این نام به این واقعیت اشاره دارد که طی چندین آزمایش زمینی که در 30 سال گذشته انجام شده است، ذرات کمتری نسبت به تولید انرژی ساطع شده از خورشید به طور مداوم مشاهده شده است. یکی از راه حل های ممکن آن نوسان است، یعنی تبدیل الکترونیکینوترینوها در هنگام سفر به زمین به میون یا تاو تبدیل می شوند. از آنجایی که اندازه گیری میون یا نوترینوهای کم انرژی بسیار دشوارتر است، این نوع تبدیل می تواند توضیح دهد که چرا ما تعداد صحیح ذرات را روی زمین مشاهده نمی کنیم.
چهارمین جایزه نوبل
جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۵ به تاکاکی کاجیتا و آرتور مک‌دونالد برای کشف جرم نوترینو اهدا شد. این چهارمین جایزه مربوط به اندازه گیری های تجربی این ذرات بود. برخی ممکن است تعجب کنند که چرا ما باید اینقدر به چیزی اهمیت دهیم که به سختی با ماده معمولی در تعامل است.
این حقیقت که ما می توانیم این ذرات زودگذر را شناسایی کنیم، گواهی بر نبوغ انسان است. از آنجایی که قوانین مکانیک کوانتومی احتمالاتی هستند، می دانیم که اگرچه تقریباً تمام نوترینوها از زمین عبور می کنند، برخی از آنها با آن برهم کنش خواهند داشت. یک آشکارساز به اندازه کافی بزرگ برای تشخیص آن.
اولین دستگاه از این دست در دهه شصت در اعماق معدنی در داکوتای جنوبی ساخته شد. معدن با 400 هزار لیتر مایع پاک کننده پر شد. به طور متوسط هر روز یک ذره نوترینو با یک اتم کلر برهمکنش می کند و آن را به آرگون تبدیل می کند. به طور باورنکردنی، ریموند دیویس، که مسئول آشکارساز بود، راهی برای تشخیص این چند اتم آرگون ابداع کرد و چهار دهه بعد، در سال 2002، جایزه نوبل را برای این شاهکار فنی شگفت انگیز دریافت کرد.
نجوم جدید
از آنجایی که نوترینوها برهمکنش بسیار ضعیفی دارند، می توانند مسافت های زیادی را طی کنند. آنها به ما این فرصت را می دهند که به مکان هایی نگاه کنیم که در غیر این صورت هرگز نمی دیدیم. نوترینوهایی که دیویس کشف کرد در اثر واکنش‌های هسته‌ای که در مرکز خورشید اتفاق افتاد تولید شدند و تنها به این دلیل که به سختی با مواد دیگر برهمکنش داشتند، توانستند از این مکان فوق‌العاده متراکم و داغ فرار کنند. حتی می توان پرواز نوترینویی را از مرکز یک ستاره در حال انفجار در فاصله صد هزار سال نوری از زمین تشخیص داد.
علاوه بر این، این ذرات رصد جهان را در مقیاسی بسیار کوچک، بسیار کوچکتر از آنچه برخورد دهنده بزرگ هادرون در ژنو، که بوزون هیگز را کشف کرد، ممکن می سازد. به همین دلیل بود که کمیته نوبل تصمیم گرفت جایزه نوبل را برای کشف نوع دیگری از نوترینو اعطا کند.
مفقود اسرارآمیز
وقتی ری دیویس نوترینوهای خورشیدی را مشاهده کرد، تنها یک سوم از تعداد مورد انتظار را یافت. اکثر فیزیکدانان معتقد بودند که دلیل این امر دانش ضعیف اخترفیزیک خورشید است: شاید مدل های داخلی ستاره تعداد نوترینوهای تولید شده در آن را بیش از حد تخمین می زدند. با این حال، در طول سال‌ها، حتی با بهبود مدل‌های خورشیدی، کمبودها همچنان ادامه داشت. فیزیکدانان به احتمال دیگری توجه کردند: مشکل می تواند به درک ما از این ذرات مربوط باشد. طبق نظریه رایج آن زمان، آنها جرمی نداشتند. اما برخی از فیزیکدانان استدلال کرده اند که ذرات در واقع بی نهایت کوچک هستندتوده، و این توده دلیل کمبود آنها بود.
ذره سه رخ
طبق نظریه نوسانات نوترینو، سه نوع مختلف نوترینو در طبیعت وجود دارد. اگر یک ذره جرم داشته باشد، در حین حرکت، می تواند از نوعی به نوع دیگر تغییر کند. سه نوع - الکترون، میون و تاو - هنگام تعامل با ماده می توانند به ذره باردار مربوطه (الکترون، میون یا تاو لپتون) تبدیل شوند. "نوسان" به دلیل مکانیک کوانتومی رخ می دهد. نوع نوترینو ثابت نیست. در طول زمان تغییر می کند. یک نوترینو که وجود خود را به عنوان یک الکترون آغاز کرد، می تواند به میون تبدیل شود و سپس به عقب برگردد. بنابراین، ذره ای که در هسته خورشید در مسیر خود به سمت زمین تشکیل می شود، می تواند به طور دوره ای به میون-نوترینو تبدیل شود و بالعکس. از آنجایی که آشکارساز دیویس فقط می‌توانست نوترینوهای الکترونی را شناسایی کند که قادر به تبدیل هسته‌ای کلر به آرگون هستند، به نظر می‌رسید که نوترینوهای گمشده به انواع دیگر تبدیل شده باشند. (همانطور که پیداست، نوترینوها در داخل خورشید در نوسان هستند، نه در مسیرشان به زمین.)
آزمایش کانادایی
تنها راه برای آزمایش این بود که یک آشکارساز بسازیم که برای هر سه نوع نوترینو کار کند. از دهه 1990، آرتور مک‌دونالد از دانشگاه کوئینز انتاریو، تیمی را که این کار را در معدنی در سادبری، انتاریو انجام داد، رهبری کرد. این تسهیلات حاوی تن ها آب سنگین وام از دولت کانادا بود. آب سنگین یک شکل نادر اما طبیعی آب است که در آن هیدروژن حاوی یک پروتون،ایزوتوپ سنگین تر دوتریوم که حاوی یک پروتون و یک نوترون است، جایگزین می شود. دولت کانادا آب سنگین را ذخیره کرد زیرا به عنوان خنک کننده در راکتورهای هسته ای استفاده می شود. هر سه نوع نوترینو می‌توانند دوتریوم را برای تشکیل یک پروتون و یک نوترون از بین ببرند و سپس نوترون‌ها شمارش شدند. این آشکارساز حدود سه برابر تعداد ذرات را در مقایسه با دیویس ثبت کرد - دقیقاً عددی که توسط بهترین مدل های خورشید پیش بینی شده بود. این نشان داد که الکترون-نوترینو می تواند به انواع دیگر خود نوسان کند.
آزمایش ژاپنی
تقریباً در همان زمان، تاکاکی کاجیتا از دانشگاه توکیو در حال انجام آزمایش قابل توجه دیگری بود. یک آشکارساز نصب شده در معدنی در ژاپن، نوترینوهایی را که نه از روده های خورشید، بلکه از اتمسفر فوقانی می آمدند، ثبت کرد. هنگامی که پروتون های پرتوهای کیهانی با جو برخورد می کنند، بارانی از ذرات دیگر از جمله نوترینوهای میون تشکیل می شود. در معدن، آنها هسته های هیدروژن را به میون تبدیل کردند. آشکارساز کاجیتا می توانست ذرات را ببیند که در دو جهت می آیند. برخی از بالا سقوط کردند که از جو می آمدند، در حالی که برخی دیگر از پایین حرکت کردند. تعداد ذرات متفاوت بود که نشان دهنده ماهیت متفاوت آنها بود - آنها در نقاط مختلف چرخه نوسان خود بودند.
انقلاب در علم
همه چیز عجیب و غریب و شگفت انگیز است، اما چرا نوسانات و توده های نوترینو این همه توجه را به خود جلب می کنند؟ دلیلش هم ساده است. در مدل استاندارد فیزیک ذرات که طی پنجاه سال گذشته قرن بیستم توسعه یافت،که تمام مشاهدات دیگر در شتاب دهنده ها و سایر آزمایش ها را به درستی توصیف کرد، نوترینوها باید بدون جرم بودند. کشف توده نوترینو نشان می دهد که چیزی گم شده است. مدل استاندارد کامل نیست. عناصر گمشده هنوز از طریق برخورد دهنده بزرگ هادرون یا ماشین دیگری که هنوز ساخته نشده است، کشف نشده اند.
