آیا ما در شرف حل بزرگترین معمای نوترینو هستیم؟

راه آهن فونیکولار مرا به سمت پایین کوه می برد و دنیای آشنا و بالای زمین ناپدید می شود. تونل شیب دار است، از گرانیت جامد خسته شده است، و ما به تدریج - پایین، پایین، پایین - برای نزدیک به یک ربع ساعت فرود می آییم. بعد از مدتی فشار باعث می شود گوش هایم تکان بخورند.

وقتی گذرگاه در نهایت به پایان می رسد، ما 700 متر زیر زمین هستیم و من می توانم مجموعه وسیع زیرزمینی از غارها و لوله ها را ببینم که در زیر من گسترده شده است. کاملا دیدنی است. اما باز هم، از آزمایشی که بتواند فیزیک ذرات را برای همیشه تغییر دهد، انتظاری کمتر از این ندارید.

من به رصدخانه زیرزمینی نوترینو جیانگمن، که بیشتر با نام JUNO شناخته می شود، آمده ام، ماشینی در جنوب چین که برای گرفتن ذرات شبح مانند به نام نوترینو طراحی شده است. اینها کوچکترین تکه هایی از واقعیت هستند که ما از آنها می شناسیم، آنقدر زودگذر که اصلا وجود ندارند. مطالعه آنها قبلا برخی از ابتدایی ترین فرضیات ما را در مورد جهان باطل کرده است - و دلایل خوبی وجود دارد که فکر می کنیم آنها کلید برخی از عمیق ترین اسرار باقی مانده آن را دارند.

سیلویا پاسکولی، فیزیکدان از دانشگاه بولونیا، ایتالیا می گوید: جرم نوترینو تنها شواهد فیزیک ذرات را در اختیار ما قرار می دهد که مدل استاندارد فیزیک ذرات ناقص است.

وقتی نوبت به اجزای اساسی واقعیت می‌رسد، چیزهای زیادی در مورد آنچه در بیرون وجود دارد می‌دانیم – اما همچنین می‌دانیم که هنوز تصویر کامل را نمی‌بینیم. مدل استاندارد فیزیک ذرات فهرستی از این مواد، ذرات اساسی و نیروهای تشکیل دهنده کیهان است. تقارن ظریفی در آن وجود دارد، و چیزی کمتر از یک موفقیت چشمگیر بوده است. اما گرانش را شامل نمی شود یا ماهیت ماده تاریک را توضیح می دهد. سپس پاد ماده وجود دارد.

هر نوع ذره ماده ای ضد ماده مشابه دارد، با جرم یکسان اما خواص متضاد، مانند بار الکتریکی. وقتی ماده و پادماده به هم می رسند، در یک انفجار انرژی یکدیگر را از بین می برند. این یک معما ایجاد می کند زیرا، تا آنجا که ما می دانیم، جهان اولیه باید ماده و پادماده را در مقادیر مساوی تولید می کرد - و این سوال را مطرح می کند که چرا ماده اکنون غالب است.

به JUNO می توان از طریق راه آهن فونیکولار که حدود 700 متر در دل کوه فرود می آید، دسترسی داشت.

به دلیل این نوع اسرار، فیزیکدانان تمایل دارند بر این باورند که باید چیزی فراتر از مدل استاندارد وجود داشته باشد - بخشی از پازل که ما از دست داده ایم. و یک سرنخ وجود دارد که به طور فزاینده ای امیدوارکننده به نظر می رسد. نوترینوها به سختی با چیزی تعامل دارند - تریلیون ها از آنها در هر ثانیه از بدن شما عبور می کنند. با این حال می دانیم که آنها جرم بسیار بسیار کوچکی دارند. با این حال، به نظر می رسد این توده به روش های عجیبی ظاهر می شود، و ما حتی مطمئن نیستیم که چگونه آن را دریافت می کنند. اگر به این موضوع بپردازیم، ممکن است اسرار مدل استاندارد شروع به آشکار شدن کند؟

اولین نشانه عجیب بودن نوترینوها در یک مکان زیرزمینی دیگر ظاهر شد: یک معدن طلا در داکوتای جنوبی. در آنجا، در اواخر دهه 1960، فیزیکدان ریموند دیویس جونیور، یک مخزن بزرگ را با مایع پاک کننده حاوی کلر پر کرد تا نوترینوهایی را که از خورشید به سمت زمین می ریزند، اندازه گیری کند. مانند تقریبا همه آشکارسازهای نوترینو، برای غربال کردن ذرات دیگر مدفون شده بود، که توسط سنگ مسدود می شد، در حالی که نوترینوها از آن عبور می کردند. گاهی اوقات، یک نوترینو به اتم کلر در مخزن برخورد می کند و آن را به آرگون-37 رادیواکتیو تبدیل می کند که دیویس می تواند آن را بشمارد.

اما زمانی که او اعداد را اجرا کرد، یک مشکل وجود داشت: حدود دو سوم فیزیکدانان نوترینو انتظار داشتند هرگز ظاهر نشوند.

به لطف یک سری اکتشافات تدریجی، اکنون می دانیم که مانند سایر ذرات ماده در مدل استاندارد، نوترینوها در سه نوع به نام طعم ها وجود دارند. نوترینوی الکترونی، نوترینوی میون و نوترینوی تاو وجود دارد. پاسکولی می‌گوید: «چرا طبیعت این‌گونه ساخته شده است، ما نمی‌دانیم، اما این چیزی است که مشاهده می‌کنیم.

سپس، در حدود سال 2000، فیزیکدانان در سایر آزمایشات نوترینو کشف کردند که نوترینوها یک ویژگی اضافی دارند. همانطور که آنها سفر می کنند، می توانند از یک طعم به طعم دیگر تغییر کنند، دگردیسی که به عنوان نوسان نوترینو شناخته می شود. یک نوترینوی الکترونی، نوعی که در خورشید تولید می‌شود، ممکن است به صورت میون یا تاو نوترینو به زمین برسد.

بنابراین، آشکارساز دیویس در معدن طلا - که برای آشکار کردن اثرات نوترینوهای الکترونی طراحی شده بود - دو سوم از معدن خود را از دست نداد. این نوترینوها در طول سفر خود به زمین به سادگی طعم خود را تغییر داده بودند. آندره دو گووا، فیزیکدان نظری از دانشگاه نورث وسترن در ایلینویز می‌گوید: «این یک کشف کاملا غول‌پیکر بود که برای مدت طولانی در حال ایجاد بود.

همین آزمایش ها ویژگی عجیب دیگری از نوترینو را نشان داد. این نوسان فقط به این دلیل امکان پذیر است که این سه طعم هر کدام با یک جرم مشخص مطابقت ندارند. یک نوترینوی الکترونی به سادگی سبک تر یا سنگین تر از یک نوترینوی میونی نیست. هیچ یک از طعم ها دارای یک جرم واحد و کاملا مشخص نیستند. در عوض، سه "حالت جرمی" نوترینو وجود دارد و هر کدام یک مخلوط کوانتومی عجیب از هر سه طعم به طور همزمان است. همانطور که آنها در فضا سفر می کنند، تعادل بین این توده ها - و بنابراین طعمی که ما مشاهده می کنیم - تغییر می کند. اما اینکه چه مقادیر دقیقی این مخلوط را تشکیل می دهد هنوز از ما دوری می کند.

گیج شده؟ اگر چنین است، شما در شرکت خوبی هستید. آنزکا کلوستوا، فیزیکدان از امپریال کالج لندن، می گوید: «بنابراین، در مدل استاندارد، نوترینوها جرم ندارند – اما اکنون می دانیم که جرم دارند. اما ما نمی دانیم آن توده ها چه هستند و نمی دانیم چگونه آنها را به دست می آورند.»

مقیاس کره آشکارساز مرکزی JUNO واقعا حماسی است

این واقعیت که توده‌ها فوق‌العاده کوچک هستند به این فتنه می‌افزاید. تفاوت بین جرم یک الکترون و یک نوترینو تقریبا تفاوت بین یک استیشن واگن با بار کامل و یک کارت بازی است. برای فیزیکدانان، این شکاف بزرگ این سوال را ایجاد می کند که آیا نوترینوها جرم خود را به روشی متفاوت از سایر ذرات ماده به دست می آورند، که جرم آنها از طریق تعامل آنها با بوزون هیگز به وجود می آید.

اگر چنین است، می تواند پنجره جدیدی را به واقعیت باز کند. برخی مکانیسم‌های پیشنهادی برای تولید جرم نوترینو قوانینی را در مورد چگونگی عملکرد واقعیت که فیزیکدانان در حال حاضر درست فرض می‌کنند، نقض می‌کند. این به نوبه خود می تواند معماهای عمیق تری را روشن کند، از جمله این سوال که چرا ماده بر ضد ماده پیروز شد. دو گووا می‌گوید: «این امکان وجود دارد که هر چیزی که به نوترینوها جرمی غیر صفر می‌دهد، مستقیما مسئول منشأ خود ماده نیز باشد.

به توده ها سفارش دهید

این سوالات در مورد جرم نوترینو باعث ساخت JUNO شد. و یک چیز مطمئن است: ما از مخزن جلالی مایع پاک کننده دیویس راه بسیار زیادی را طی کرده ایم. بخش مرکزی JUNO یک کره اکریلیک وسیع است که با 20000 تن مایع مخصوص به نام سوسوزن پر شده است. نیروگاه‌های هسته‌ای یانگ‌جیانگ و تایشان در فاصله حدود 53 کیلومتری، به‌طور پیوسته جریان قدرتمند و بسیار تمیزی از پادنوترینوهای الکترونی را تولید می‌کنند - پادماده شریک نوترینوهای الکترونی.

کسری از پادنوترینوها به JUNO لوله می‌شوند و هنگامی که با مایع سوسوزن تعامل می‌شود، فلاش کوچکی تولید می‌شود. هزاران گوی کروی و طلایی در اطراف لبه های کره قرار گرفته اند تا این فلاش ها را تقویت کنند.

مقیاس مهندسی نفس مرا بند می آورد. غاری که ردیاب را در خود جای داده می تواند یک ساختمان 14 طبقه را ببلعد. متأسفانه، وقتی بازدید می‌کنم، کل ساختار با پلاستیک سیاه پوشانده شده است - اگرچه شاید مناسب باشد که این دستگاه که به دنبال گریزان‌ترین ذرات است، خودش از دید پنهان باشد.

یکی از اولین اهداف JUNO حل کردن یک جنبه پیچیده از معما در مورد توده های نوترینو است. اگرچه ما جرم دقیق سه حالت جرم نوترینو را نمی‌دانیم، اما می‌دانیم که به نظر می‌رسد دو حالت به هم نزدیک هستند. این دو پیکربندی ممکن از حالت های جرمی را باز می گذارد: سلسله مراتب عادی و معکوس (به نمودار زیر مراجعه کنید). این حالت‌های جرمی به یک شکل روی نوترینوها و پادنوترینوهای معمولی حک می‌شوند، بنابراین این واقعیت که JUNO عمدتا با نوترینوهای دوم کار می‌کند مشکلی نیست.

بررسی اینکه کدام سلسله مراتب مناسب است می‌تواند به محدود کردن آنچه توده‌های منفرد در واقع هستند کمک کند و توضیح‌های رقابتی در مورد نحوه دریافت نوترینوها را محدود کند. یکی از جذاب ترین احتمالات به عنوان "مکانیسم الاکلنگ" شناخته می شود که برای اولین بار در دهه 1980 ارائه شد. این پیشنهاد می کند که نوترینوهای کشف نشده ای وجود دارند که بسیار سنگین هستند و بنابراین مشاهده آنها بسیار دشوار است. جرم غول پیکر آنها به توده های کوچک نوترینوهای آشنا که امروز می بینیم مرتبط است - یک سر الاکلنگ را به سمت بالا فشار دهید و سر دیگر را رها کنید.

پاسکولی می‌گوید: «این توضیحی است که بیشتر نظریه‌های نوترینو آن را قابل قبول می‌دانند، و همچنین توضیح می‌دهد که چرا نوترینوها بسیار سبک‌تر از [سایر ذرات ماده] هستند».

احتمال دیگر این است که نوترینوها جرم خود را به طور غیرمستقیم و از طریق برهمکنش با ذرات دیگری که هنوز کشف نشده اند به دست آورند. جرم آنها تنها از طریق یک فرآیند کوانتومی پیچیده‌تر ظاهر می‌شود و طبیعتا آن را بسیار کوچک‌تر می‌کند. اما جالب اینجاست که در برخی از نسخه‌های این ایده، یکی از آن ذرات کشف‌نشده می‌تواند ماده تاریک مرموز باشد که بیشتر ماده در جهان را تشکیل می‌دهد. مهم است که بگوییم هر دو فرضیه کلی هستند و پیش‌بینی دقیقی ارائه نمی‌دهند.

با این حال، JUNO باید بتواند به ما کمک کند. همانطور که پادنوترینوها 53 کیلومتر اودیسه از نیروگاه ها تا آشکارسازها را طی می کنند، توده های مختلف در برهم نهی یک الگوی تداخل ظریف در انرژی های نوترینوها به جا می گذارند: پی درپی از قله ها و فرورفتگی های کوچک که موقعیت دقیق آنها بستگی به این دارد که آیا حالت جرم سوم در بالا یا پایین دو حالت دیگر قرار دارد. آن الگو را به اندازه کافی دقیق اندازه گیری کنید، و JUNO می تواند شروع به حذف سفارش کند. یک آزمایش همراه کوچکتر، رصدخانه آنتی نوترینو تایشان، بسیار نزدیکتر به راکتور تایشان قرار دارد.

در آنجا، می‌تواند پادنوترینوها را قبل از اینکه شانس زیادی برای نوسان داشته باشند اندازه‌گیری کند و به JUNO مرجع بدهد.

در ژوئن، JUNO Collaboration نتایجی را منتشر کرد که آن را در مسیر تولید یک اندازه گیری رقابتی از سفارش انبوه در چند سال آینده قرار داد. این نتایج اولیه به سمت نظم طبیعی متمایل است، اما قبل از اینکه فیزیکدانان بتوانند یک نتیجه قطعی بگیرند به داده های بیشتری نیاز است.

حتی در این صورت، احتمالا پاسخی ضد گلوله در مورد چگونگی بدست آوردن جرم نوترینوها نخواهیم داشت. در عوض، JUNO مانند غربال عمل می‌کند و برخی از نظریه‌ها را محتمل‌تر جلوه می‌دهد و برخی دیگر را تحت فشار قرار می‌دهد. به عنوان مثال، اگر نتیجه سفارش عادی ثابت بماند، به طور طبیعی با برخی از ساده‌ترین مدل‌های الاکلنگ گیر مطابقت دارد. در مقابل، یک نظم معکوس می‌تواند آن نسخه‌ها را رد کند یا نظریه‌پردازان را مجبور کند که آنها را دقیق‌تر کنند.

دی گوووا می‌گوید: «با انجام این آزمایش‌های نوترینو، فکر نمی‌کنم همه پاسخ‌ها را یاد بگیریم، اما شواهد غیرواقعی زیادی به دست می‌آوریم که ما را در مسیر درست راهنمایی می‌کنند.

انقلاب نوترینو

به یک معنا، JUNO فقط شروع چیزی است که می تواند یک انقلاب نوترینو در فیزیک باشد. دو ردیاب حماسی دیگر در این زمینه وجود دارند: Hyper-Kamiokande در ژاپن که قرار است سال آینده شروع به کار کند و DUNE در ایالات متحده که در اوایل دهه 2030 افتتاح می شود. هر دو آزمایش همچنین قادر خواهند بود ترتیب جرم نوترینو را بررسی کنند. اما مهمتر از آن، آنها به دنبال این هستند که آیا نوترینوها و پادنوترینوها رفتار متفاوتی دارند یا خیر.

هر دو Hyper-Kamiokande و DUNE با کوبیدن پروتون های پرانرژی به یک هدف جامد، مانند گرافیت، پرتوهایی از نوترینوهای میون ایجاد می کنند. با این حال، برخلاف JUNO، آزمایش‌ها لوکس کنترل منبع نوترینوی خود را دارند. آنها می توانند پرتوهای خود را روشن و خاموش کنند و انتخاب کنند که نوترینو یا ضد ماده خود را تولید کنند. مشکل این است که نتایجی که آنها تشخیص می دهند تحت تأثیر چندین عامل درهم قرار می گیرند که بر نتایج تأثیر می گذارد، از جمله ترتیب جرم نوترینو. اگر JUNO بتواند ابتدا آن را مشخص کند، Hyper-Kamiokande و DUNE یک ناشناخته کمتر برای جداسازی خواهند داشت.

با همکاری این سه آشکارساز، بالاخره می‌توانیم پاسخی برای معماهای نوترینوهایی که برای مدت طولانی ما را آزار داده‌اند، داشته باشیم.

درون آشکارساز نوترینوی غول پیکر سوپرکامیوکانده ژاپن. یک آزمایش جانشین به نام Hyper-Kamiokande حتی بزرگتر خواهد بود

پاسخ ها ممکن است بسیار فراتر از قلمروهای فیزیک ذرات تأثیر داشته باشند. تأثیر گرانشی فردی نوترینوها ناچیز است، اما تعداد زیادی از آنها وجود دارد که در طول زمان کیهانی، می توانند بر نحوه جمع شدن ماده در خوشه ها، کهکشان ها و ستاره ها تأثیر بگذارند. با توجه به اینکه مدل‌های کیهانی ما شروع به نشان دادن نشانه‌هایی از فشار می‌کنند، این آنها را به‌طور غیرمعمول جالب می‌کند.

انرژی تاریک را در نظر بگیرید، نیروی ناشناخته ای که به نظر می رسد انبساط جهان را با سرعتی فزاینده تسریع می کند. درک پذیرفته شده از دیرباز این بوده است که انرژی تاریک یک امر ثابت است. اما نتایج سال گذشته ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک نشان داد که در واقع ممکن است در حال ضعیف شدن باشد. و تنش های دیگری نیز وجود دارد. به نظر می رسد که ماده در کیهان، بر اساس برخی معیارها، اندکی کمتر از آنچه انتظار می رود، جمع شده باشد. این نشان می دهد که ممکن است چیزی رشد ساختار جهان را در طی میلیاردها سال سرکوب کرده باشد.

آیا این چیزی می تواند نوترینو باشد؟ احتمالا. از آنجایی که آنها به سرعت در جهان اولیه حرکت می کنند، در برابر گیر افتادن در توده های در حال رشد ماده مقاومت می کنند و می توانند ساختار را صاف کنند. هر چه نوترینوها در مجموع سنگین تر باشند، این اثر قوی تر می شود. همه اینها به این معنی است که نتایج آزمایش‌هایی مانند JUNO به کسانی که جهان را مطالعه می‌کنند کمک می‌کند بررسی کنند که آیا مدل‌هایشان منطقی است یا خیر. ویلیام جیاره کیهان شناس از دانشگاه هاوایی می گوید: «خواص نوترینو می تواند در تنش هایی از این دست بسیار مفید باشد.

رفتن به ابرنواختر

همچنین ممکن است یک فراخوان نهایی برای JUNO وجود داشته باشد. امید این است که آنقدر طول بکشد تا یک رویداد بسیار نادر را ثبت کند: ستاره ای که در جایی در کهکشان ما منفجر می شود. یفانگ وانگ، مدیر JUNO می‌گوید: «دلیل اینکه ما می‌خواهیم عمری 30 ساله داشته باشیم، دقیقا نوترینوهای ابرنواختر است. "ما می خواهیم منتظر یک انفجار باشیم."

هنگامی که یک ستاره عظیم فرو می ریزد، نوترینوها از هسته آن فرار می کنند قبل از اینکه نور بتواند راه خود را به بیرون ببرد. به این ترتیب، انفجار نوترینوهای ابرنواختری که روی زمین کشف شده اند، نگاهی اجمالی خارق العاده از لحظات پایانی ستاره به ما می دهد - و راهی تازه برای آزمایش نظریه های ما در مورد چگونگی شکل گیری ابرنواخترها. بعلاوه، اگر هسته در حال فروپاشی به اندازه کافی عظیم باشد که یک سیاهچاله را تشکیل دهد، سیل نوترینوها می تواند ناگهان متوقف شود. فیزیکدانان در واقع سیگنال ستاره در حال مرگ را در لحظه شکل گیری سیاهچاله خاموش می کنند.

پاسکولی می گوید: «اگر یک ابرنواختر منفجر شود، این نتیجه فیزیک قرن خواهد بود.

در نهایت، زمان آن است که من JUNO را ترک کنم. من را از میان یک سری تونل گیج کننده به سمت آسانسوری تنگ هدایت می کنند، جایی که راهنمای من یک پرده زنجیره ای را در سراسر ورودی می کشد. با یک تکان، به سمت بالا شلیک می کنیم، بالابر از کنار دیوار بی پایان سنگی فریاد می زند. چند دقیقه بعد، به روشنایی روز برمی گردم، تقریبا 2 کیلومتر از جایی که برای اولین بار به فونیکولار رفتم. این آخرین یادآوری مقیاس غیرمحتمل JUNO است - با یک آشکارساز به وزن سه برج ایفل - همه برای مطالعه ریزترین ذرات طبیعت.

شاید در دهه آینده، یک تغییر لرزه‌ای در فیزیک از خجالتی‌ترین و کم‌رنگ‌ترین ویژگی آن ناشی شود.