کشفی تازه: سبک‌ ترین ذرات کیهانی، از آنچه تاکنون می‌دانستیم هم سبک‌ ترند

به گزارش بخش اخبار علمی زوم تک ,دانشمندان با انجام پژوهش‌ های دقیق و آزمایش‌ های پیشرفته، به نتایجی دست یافته‌اند که دیدگاه ما درباره‌ سبک‌ ترین ذرات شناخته‌ شده‌ جهان را دگرگون می‌کند. بر پایه‌ این یافته‌ ها، این ذرات — که نقشی کلیدی در فیزیک ذرات بنیادی و ساختار جهان دارند — از آنچه پیش‌ تر تصور می‌شد، جرم کمتری دارند. این کشف می‌تواند پیامدهای مهمی در درک ما از قوانین بنیادین طبیعت، ماده تاریک و حتی نحوه‌ شکل‌گیری جهان داشته باشد.

تلاش بی‌ سابقه آزمایش KATRIN در آلمان برای تعیین جرم شبح‌ وار نوترینوها؛ ذراتی به‌مراتب سبک‌ تر از تصورات پیشین

با گذشت دهه‌ ها از کشف پیشگامانه‌ نوترینوها، ذرات بنیادی اسرارآمیزی که به‌دلیل برهم‌کنش‌ های بسیار ضعیف خود با ماده به «ذرات شبح» شهرت یافته‌اند، اکنون آزمایش پیشرفته‌ی KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino experiment) واقع در آلمان، یکی از جاه‌طلبانه‌ ترین و دقیق‌ ترین تلاش‌ ها را برای اندازه‌گیری مستقیم جرم این ذرات گریزان به انجام رسانده است. نوترینوها که همواره به‌دلیل جرم فوق‌ العاده اندک خود شناخته شده‌اند، موضوع یک کشف شگفت‌ انگیز جدید قرار گرفته‌اند که نشان می‌دهد این ذرات زیراتمی، به‌مراتب سبک‌تر از آن چیزی هستند که پیش از این در مدل‌ های فیزیکی تصور می‌شد.

این ذرات بی‌ بار الکتریکی، که در طی فرآیندهای رادیواکتیو، واکنش‌ های هسته‌ای در قلب خورشید و دیگر رویدادهای پرانرژی در اعماق کیهان به وفور تولید می‌شوند، اکنون مشخص شده است که جرمی کمتر از ۰٫۴۵ الکترون‌ولت (eV) دارند. این یافته‌ های بنیادین، که حاصل تلاش‌های خستگی‌ ناپذیر گروهی از فیزیکدانان برجسته و در قالب مقاله‌ای در مجله‌ معتبر Science به چاپ رسیده است، از داده‌ های به‌ دست‌آمده از آزمایش نوترینوی تریتیوم (KATRIN) در مرکز تحقیقاتی کارلسروهه آلمان استخراج شده و حد بالایی جرم نوترینو را نسبت به دقیق‌ ترین اندازه‌گیری‌ های قبلی، تقریباً به نصف کاهش می‌دهد. این دستاورد مهم، گامی بلند در جهت درک یکی از بنیادی‌ ترین اسرار عالم هستی محسوب می‌شود.

نوترینوها، در میان تمامی ذرات بنیادی شناخته شده در مدل استاندارد فیزیک ذرات، تنها دسته‌ای هستند که جرم آن‌ها، به‌عنوان یکی از اساسی‌ترین ویژگی‌ های هر ذره‌ مادی، همچنان به‌طور قطعی و مستقیم اندازه‌گیری نشده باقی مانده است. این ذرات به قدری سبک‌ تر از سایر ذرات تشکیل‌ دهنده‌ ماده هستند که برای مدت‌ های مدید، این فرضیه مطرح بود که آن‌ ها اصلاً جرمی ندارند. یکی از بزرگ‌ ترین چالش‌ های پیش روی فیزیکدانان ذرات، درک عمیق این موضوع است که چرا نوترینوها این‌چنین سبک هستند و جرمی به‌ مراتب کمتر از یک میلیونم جرم الکترون، ذره‌  حامل جریان الکتریکی، دارند. اندازه‌گیری دقیق و تعیین مقدار جرم آن‌ ها می‌تواند پنجره‌ای نو به سوی درک بهتر ماهیت این ذرات مرموز و همچنین معمای جرم در فیزیک ذرات بگشاید.

طیف‌ سنج عظیم‌الجثه و فوق‌دقیق آزمایش KATRIN، که در تاسیسات تحقیقاتی کارلسروهه در آلمان مستقر شده است، به‌طور خاص به بررسی نوعی از نوترینو به نام پادنوترینوی الکترون (electron antineutrino) می‌پردازد. محققان در این آزمایش پیشرفته، به مطالعه‌ واپاشی‌ های رادیواکتیو ایزوتوپ تریتیوم، که نوعی هیدروژن سنگین با یک پروتون و دو نوترون در هسته‌ خود است، مشغول هستند. در هر فرآیند واپاشی تریتیوم، یک پادنوترینوی الکترونی و یک الکترون با انرژی‌ های متغیر تولید می‌شود. جرم نوترینو به‌طور مستقیم حداکثر انرژی جنبشی‌ای را که الکترون می‌تواند پس از واپاشی داشته باشد، محدود می‌کند. با تحلیل دقیق داده‌ های مربوط به حدود ۳۶ میلیون رویداد واپاشی و اندازه‌گیری انرژی الکترون‌ های ساطع شده، محققان در جستجوی نشانه‌ های ظریف و غیرمستقیم از اثرات ناشی از جرم پادنوترینو هستند. تغییرات بسیار جزئی در طیف انرژی الکترون‌ های ساطع شده در نزدیکی حداکثر انرژی ممکن، می‌تواند اطلاعات ارزشمندی در مورد جرم نوترینو ارائه دهد.

همان‌طور که اشاره شد، نوترینوها به قدری سبک‌تر از سایر ذرات بنیادی هستند که برای مدت‌ های طولانی درک ماهیت آن‌ ها و به‌ویژه جرمشان، یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک ذرات باقی مانده بود. این سبکی فوق‌ العاده، اندازه‌گیری مستقیم جرم آن‌ ها را به یک چالش فنی طاقت‌ فرسا تبدیل کرده است.

به گفته‌ دکتر دیانا پارنو، فیزیکدان برجسته از دانشگاه کارنگی ملون در پیتسبورگ، آزمایش KATRIN برنامه‌ریزی شده است تا جمع‌آوری داده‌ های ارزشمند خود را تا پایان سال ۲۰۲۵ میلادی ادامه دهد. محققان امیدوارند که با تحلیل مجموعه‌ی کامل این داده‌ها و همچنین اطلاعات تکمیلی که هنوز مورد تجزیه و تحلیل قرار نگرفته‌اند، بتوانند محدودیت‌ های به‌مراتب سخت‌گیرانه‌ تری را بر مقادیر ممکن جرم نوترینوها تعیین کنند و به درک دقیق‌ تری از این ذرات بنیادی دست یابند.

علاوه بر تلاش‌ های زمینی مانند آزمایش KATRIN، دانشمندان دیگر از طریق مشاهدات دقیق کیهانی نیز به تعیین مقدار حداکثری برای جرم نوترینوها پرداخته‌اند. انجام این کار به این دلیل امکان‌ پذیر است که نوترینوها و جرم ناچیز آن‌ ها، در شکل‌گیری ساختارهای بزرگ‌ مقیاس جهان اولیه نقش داشته‌اند و آثار و نشانه‌ هایی را در توزیع ماده و تابش پس‌ زمینه کیهانی بر جای گذاشته‌اند که دانشمندان امروزه با استفاده از تلسکوپ‌ های قدرتمند و مدل‌ های کیهان‌ شناسی می‌توانند آن‌ ها را مشاهده و تحلیل کنند. با این حال، یک نکته‌ حائز اهمیت این است که اگر دانشمندان در درک مدل‌ های کیهان‌شناسی و فرضیات زیربنایی آن‌ ها دچار اشتباه شوند، ممکن است این تخمین‌ های به‌دست‌آمده از مشاهدات کیهانی نیز نادرست باشند. در مقابل، یافته‌ های آزمایش KATRIN از این مزیت برخوردارند که به‌طور مستقیم و مستقل از چنین فرضیات کیهان‌ شناسی به اندازه‌گیری جرم نوترینو می‌پردازند و از این رو، از اعتبار و دقت بالاتری برخوردارند. این دو رویکرد مکمل، در کنار یکدیگر، تلاش‌ های جامعه‌ علمی برای پرده برداشتن از اسرار نوترینوها را پیش می‌برند.