چگونه نوترینوها شروع به افشای اسرار کهکشان ما می کنند

ترکیب هنرمند کهکشان راه شیری از طریق عدسی نوترینو (آبی) دیده می شود

یک روز قبل از اعلام جایزه نوبل فیزیک امسال، در نیویورک تایمز از من نقل شد که این سوال که چرا نوترینوها سه گانه نیستند، یکی از مبرم ترین مسائل علمی است که در رشته من با آن مواجه است. چه اتفاق مبارکی بود که روز بعد، کمیته نوبل اعلام کرد که جایزه به فرانسیس هالزن برای رهبری او در رصدخانه نوترینو آیس کیوب داده شده است.

من در رسانه های اجتماعی به شوخی گفتم که به نوعی مسئول کمیته متوجه این آزمایش مهم در قطب جنوب هستم، که نوترینوهایی را که از اعماق فضا می آیند مطالعه می کند و اغلب به دنبال چگونگی ارائه اطلاعاتی است که سیگنال های دیگر - نور، امواج گرانشی - به تنهایی قادر به ارائه آن نیستند.

خوانندگان معمولی این ستون می دانند که من دوست دارم در مورد این ذرات زیراتمی صحبت کنم، زیرا آنها خاصیت متمایز غیر سه گانه بودن را دارند. سه طعم نوترینو وجود دارد و با سفر در فضا، بین این هویت ها در نوسان است. نوترینوها مفهوم هویت ثابت را رد می کنند. ما این نوسانات را به جرم آنها مرتبط می‌دانیم. اما ما در واقع هنوز نمی دانیم که چگونه جرم خود را بدست می آورند.

با وجود این راز، ما چیزهای زیادی در مورد محل ساخت نوترینوها می دانیم. یک مکان در ستارگان است، از جمله خورشید خودمان. فرآیندهای همجوشی هسته ای که تمام نوری را که ما از ستارگان می گیریم می سازد، نوترینوها را نیز به عنوان یک محصول جانبی می سازد. همین پدیده‌ها در مرگ‌های ستارگان نیز نقش دارند، مانند انفجارهای خارق‌العاده‌ای که ما آنها را ابرنواختر می‌نامیم. در واقع، سال آینده چهلمین سالگرد اولین اتصال نوترینوهای مشاهده شده را با چنین انفجاری جشن خواهیم گرفت.

اولین ابرنواختر کشف شده در سال 1987 - به نام ابرنواختر 1987A - فروپاشی درخشان یک ستاره ابرغول آبی سابق بود. این نزدیک‌ترین ابرنواختر به منظومه شمسی در قرن‌ها بود و ما آن را در سراسر طیف الکترومغناطیسی شاهد بودیم: نوری، مادون قرمز، فرابنفش و حتی در اشعه ایکس. اما یکی از جالب‌ترین چیزها در مورد کشف 1987A این است که ساعاتی قبل از قابل مشاهده شدن نور، سه آشکارساز نوترینویی مختلف روی زمین متوجه هجوم این ذرات شبح‌وار شدند.

به عبارت دیگر، نوترینوها اولین پیام آور ما از مرگ ستاره ای بودند که در فاصله 168000 سال نوری از ما رخ داد. دلیل اینکه نوترینوها برای اولین بار وارد شدند به شدت ضداجتماعی آنها بود. نوترینوها از کنار مواد دیگر می گذرند که انگار حتی آنجا نیستند. بنابراین، در حالی که ذرات نور - ساخته شده در ستارگان در کنار نوترینوها - سعی می کردند از پلاسماها و اتم هایی که به آنها برخورد می کردند بگریزند، نوترینوها آزادانه از ستاره در حال فروپاشی به کیهان خارج می شدند.

در 39 سالی که از سال 1987 نوترینوهای A به ما کمک کردند تا حدی بر جرم نوترینوها بگذاریم، و همچنین تعداد طعم های نوترینویی وجود دارد، اخترفیزیک نوترینو به چشم اندازی جدید در جهان تبدیل شده است.

مرکز تحقیقاتی رصدخانه نوترینو IceCube در قطب جنوب در قطب جنوب

در سال‌های پس از 1987، هالزن گروهی را رهبری کرد که IceCube را برای استفاده از این نوترینوها به عنوان عدسی روی کیهان طراحی کردند. در طول چند دهه گذشته، هزاران دانشمند با هم کار کرده اند تا این مفهوم را در قطب جنوب به واقعیت تبدیل کنند و از این ابزار برای انجام برخی علوم واقعا جذاب استفاده کرده اند. به عنوان مثال، نائوکو کوراهاشی نیلسون در دانشگاه درکسل در پنسیلوانیا تلاش برای تهیه نقشه کامل کهکشان راه شیری تنها با استفاده از نوترینوها را رهبری کرد. تقریبا یک دهه طول کشید، اما در سال 2023، IceCube یک اطلس جدید پیشگامانه از کهکشان خانگی ما رونمایی کرد.

تصویر بسیار متفاوت از چیزی است که ما با نور دریافت می کنیم: متقارن نیست و پر از حباب های نوترینو است که از ما التماس می کنند تا آنها را بفهمیم. عدم تقارن مخصوصا برای من وسوسه‌انگیز است زیرا معمولا نشان‌دهنده این است که اتفاق جالبی در حال رخ دادن است - اما چه؟

این روزها، نیلسون گروهی را در داخل IceCube رهبری می‌کند که تلاش می‌کنند بفهمند نوترینوها می‌توانند در مورد مرکز کهکشانی به ما بگویند، به ویژه هر جزئیاتی در مورد آنچه که ذرات در منطقه به سرعت‌های نسبیتی شتاب می‌دهند. در سپتامبر، این گروه تحقیقات جدیدی را در مورد چالش های تطبیق منابع نوترینو با پر انرژی ترین منابع نوری که می شناسیم به اشتراک گذاشت، با این فرض که نوترینوها و نور از یک مکان می آیند. امید این است که بتوانیم مشخص کنیم که دقیقا چه چیزی این ذرات پر انرژی و مرموز را به فضای خالی می فرستد.

از دیدگاه من، آنها نشان می‌دهند که کهکشان ما یکی از بهترین آزمایش‌های فیزیک ذرات طبیعی است.