چه اتفاقی در اعماق زمین افتاده است؟ / یک کشف بزرگ در زیر کوههای چین
غزال زیاری: رصدخانه زیرزمینی نوترینو جیانگمن (JUNO) که در حال حاضر بزرگترین ردیاب نوترینوی جهان است، اخیراً یک عدم تطابق ظریف را در رفتار نوترینوها تأیید کرده است. این موضوعی است که سالها فیزیکدانها در مورد آن بحث میکردند ولی حالا این ماجرا به واقعیت پیوسته و جالب اینجاست که این نتیجه اولیه، تنها از بررسی ۵۹ روز داده بهدستآمده است.
ردیاب شبح چیست؟
رصدخانه JUNO در عمق ۷۰۰ متری زیر کوهی در نزدیکی گوانگدونگ چین قرار دارد. مهندسان در دل سنگ یک تونل شیبدار را حفر کرده و یک کُره پر از مایع بهاندازه یک ساختمان اداری کوچک ساختهاند.
در داخل این کره، بیست هزار تن مایع درخشانساز (Scintillator) شفاف، منتظر نوترینوهای عبوری است. وقتی یکی از نوترینوها با یک پروتون تعامل میکند، یک جرقه نوری کوچک ظاهر میشود و بیش از ۴۳ هزار لوله تقویتکننده نوری، این جرقه را ثبت میکنند.
مقیاس کار حیرتآور است: ردیاب JUNO از آزمایش ژاپنی کاملند (KamLAND) که ازنظر دامنه و طراحی شرایط مشابهی دارد، بیست برابر بزرگتر است؛ اما برتری JUNO در فناوری جمعآوری نورش است که بهمراتب حساستر از هر چیزی است که قبلاً استفادهشده. جی. پدرو اوچوآ-ریکوکس، فیزیکدان دانشگاه UC Irvine که روی JUNO کار میکند، دراینباره توضیح داد: «در این زمینه جای زیادی برای اشتباه نیست؛ اما تا امروز، JUNO هیچ اشتباهی نداشته.»
در اواخر ماه آگوست این تأسیسات ۳۵۰ میلیون دلاری، با استقبال زیادی بهطور کامل عملیاتی شد و در ماه نوامبر، اولین شگفتیاش را ارائه کرد.
تفاوت این نوترینوها با نوترینوهای خورشیدی
اندازهگیریهای اولیه نشان داد که نوترینوهای ناشی از راکتورهای هستهای، کمی متفاوت از نوترینوهای خورشیدی رفتار میکنند. حالا این اختلاف که آزمایشهای قبلی به آن اشارهکرده بودند، تأییدشده است.
JUNO در اندازهگیری دو پارامتر کلیدی “نوسان نوترینو خورشیدی”، یعنی θ۱۲ و Δm۲۱۲، با دقتی ۱.۶ برابر بهتر از تمام آزمایشهای قبلی عمل کرد. وانگ ییفانگ، مدیر این پروژه گفت: «دستیابی به این دقت در عرض دو ماه فعالیت، نشان میدهد که JUNO دقیقاً همانطور که طراحیشده ، عمل میکند.»
تا پیشازاین دانشمندان تعجب میکردند که آیا این اختلاف، یک نقص ناشی از دادههای پر سروصداست یا خیر؛ ولی حالا JUNO نشان داد که اینطور نیست. این نشانهای از عمق این ماجرا میدهد؛ شاید این یک فیزیک جدید باشد یا فقط یک شکاف در مدلهای ما یا حتی از آن مهمتر، اولین شکاف واقعی در یکی از سرسختترین مرزهای علم باشد.
اختلاف با تاریخ
در مدل استاندارد فیزیک ذرات همیشه نوترینوها بدون جرم در نظر گرفته میشوند؛ اما آزمایشهایی که در ژاپن و آمریکا انجام شد نشان دادند که نوترینوها هنگام حرکت در فضا بین سه حالت الکترون، میون و تاو نوسان میکنند. این تغییر شکل کوانتومی حاکی از آن است که نوترینوها جرم دارند، اما هیچکس نمیداند جرم آنها چقدر است یا کدام نوع سنگینتر است.
اینجاست که JUNO وارد عمل میشود. مأموریت اصلی آن تعیین ترتیب جرمی نوترینو است؛ اینکه آیا سه جرم از یک الگوی عادی (از سبکترین به سنگینترین) پیروی میکنند یا از یک الگوی معکوس. پاسخ به این سوال میتواند به توضیح این موضوع کمک کند که چرا ماده در بیگبنگ زنده ماند و توسط پادماده نابود نشد.
سام زلر، معاون مدیر پروژه ردیاب DUNE آمریکا، دراینباره گفت: «ترتیب جرمی، دروازه ورود به سؤال نهایی است. همه ما میخواهیم بدانیم چرا اینجا هستیم، چرا وجود داریم و امیدواریم نوترینوها این سرنخ را در خود داشته باشند.»
JUNO به اندازهگیری الگوهای نوسان ظریف پادنوترینوهای راکتوری از دو نیروگاه هستهای نزدیک میپردازد؛ هر رویداد به فیزیکدانان در محدود کردن پارامترهایی که نحوه تغییر شکل نوترینوها از یک فرم به فرم دیگر را توصیف میکنند، کمک میکند. پس از حدود شش سال دادههای پیوسته، اعضای این تیم امیدوارند که سلسلهمراتب جرمی را با سطح اطمینان سه سیگما تعیین کنند.
در این راستا، رقابت دوستانه بین قارهها در حال تغییر شکل علم نوترینو است. در حال حاضر بیش از ۷۰۰ دانشمند از ۷۴ مؤسسه در ۱۷ کشور در رابطه با این علم با هم به همکاری میپردازند. مارکوس دراکوس از دانشگاه استراسبورگ و CNRS/IN۲P۳ در فرانسه در این رابطه گفت: «موفقیت JUNO بازتابی از تعهد و خلاقیت کل جامعه بینالمللی ماست.»
ازآنجاییکه نوترینوهای راکتور دارای انرژی کمی هستند، JUNO باید بهصورت خیلی دقیقی کالیبره شود. برای اندازهگیری پارامترهای نوسان θ۱۲ و Δm۲۱۲، آزمایش باید به تفکیک انرژی ۳٪ در ۱ MeV با عدم قطعیت کمتر از ۱٪ دست بیابد. جالب اینجاست که JUNO تقریباً بلافاصله مشخصات خود را برآورده و حتی از آنها پیشی گرفت.
آزمایشهای بزرگ دیگری هم ترتیب جرمی را دنبال خواهند کرد. انتظار میرود که آزمایش نوترینو زیرزمینی عمیق آمریکا (DUNE) پس از راهاندازی به یک اندازهگیری قطعی پنج سیگما دست بیابد. هایپرکامیوکانده ژاپن هم در حال ترکیب نوترینوهای جوی و شتابدهنده با هم است.
قدم بعدی چیست
وقتی JUNO ترتیب جرمی را تثبیت کند، درهای جدیدی در فیزیک، اخترفیزیک و حتی علم زمین باز خواهد شد. این ردیاب به قدری حساس است که میتواند اولین سیگنالهای ضعیف نوترینو را از یک ابرنواختر نزدیک دریافت کرده و به ستارهشناسان یک هشدار اولیه دهد که یک ستاره در شرف انفجار است.
درعینحال ژئونوترینوها و پادنوترینوهایی که از واپاشی رادیواکتیو درون پوسته و گوشته زمین ساطع میشوند مورد مطالعه قرار خواهند گرفت تا مشخص شود که سیاره ما چقدر گرما تولید میکند. کائو جون، مدیر مؤسسه فیزیک انرژی بالا، دراینباره توضیح داد: «JUNO به ارائه نتایج مهم و آموزش نسلهای جدید فیزیکدانان برای دهههای آینده ادامه خواهد داد.»
محققان در هر یک از این اهداف به دنبال یک مرز مشترک هستند: آنچه نوترینوها میتوانند در مورد منشأ ماده، انرژی و هر آنچه میتوانیم ببینیم، به ما بگویند.
منبع: zmescience
۵۸۳۲۱