فیزیکدانان اکنون بیش از هر زمان دیگری به اندازه‌گیری دقیق نوترینوی گریزان نزدیک شده‌اند.
ساینسیو – به نقل از ایسنا و اسپیس، دانشمندان از یک “ترازوی نوترینو” ۲۰۰ تنی برای اندازه‌گیری این ذرات گریزان استفاده کرده‌اند. این ذرات شبح‌مانند به نام “نوترینو” به ندرت با ماده معمولی برهمکنش می‌کنند و قدرت پنهانی فوق‌العاده‌ای دارند. آنها به قدری گریزان هستند که فیزیکدانان هم اکنون پس از گذشت چند دهه از کشف آنها، هنوز جرم آنها را مشخص نکرده‌اند.
اما اخیراً دانشمندان با قرار دادن آنها در یک “ترازوی نوترینو” ۲۰۰ تنی، محدودیت جدیدی برای جرم نوترینو در نظر گرفته‌اند و نتیجه اینکه آنها بسیار بسیار کوچک هستند.
فیزیکدانان با حساس‌ترین ترازوی نوترینوی جهان، انبوهی از داده‌ها را تجزیه و تحلیل کردند تا مشخص کنند که این ذره گریزان، سنگین‌تر از ۰.۸ الکترون‌ولت (eV) نیست. این اولین باری است که یک آزمایش به زیر آستانه یک الکترون‌ولت برای وزن هر زیراتمی می‌رسد. برای مقایسه ذره باید گفت که وزن یک الکترون حدود ۵۱۱ هزار الکترون‌ولت یا به عبارتی، ۹.۱۱ ضرب در ۱۰ به توان منفی ۳۱ کیلوگرم است.
نوترینوها شاید دردسرسازترین ذرات شناخته شده در علم فیزیک باشند. در مدل استاندارد فیزیک ذرات شامل توضیح استاندارد طلایی برای چگونگی عملکرد طبیعت در سطح بنیادی، نوترینوها اصلاً نباید جرم داشته باشند. این به دلیل رفتار درونگرایانه این ذره نسبت به بقیه قلمروی کوانتومی آن است. سایر ذرات، مانند الکترون‌ها، جرم خود را از طریق تعامل با میدان کوانتومی ایجاد شده توسط ذره “بوزون هیگز” به دست می‌آورند.
تصور کنید یک ذره از میان حوضچه‌ای پر از آب می‌گذرد در مقابل ذره‌ای که مجبور است از داخل یک مخزن شیره عبور کند و در این صورت می‌توانید ببینید که چگونه میدان هیگز می‌تواند جرم‌های مختلفی را روی ذرات برهمکنشی با آن ایجاد کند. اما چنین مکانیسمی برای نوترینوها وجود ندارد و بنابراین برای چندین دهه فیزیکدانان فقط تصور می‌کردند که آنها نیز مانند فوتون‌ها، ذرات کوچک کاملاً بدون جرمی هستند.
این ایده درباره بدون جرم بودن نوترینو برای مدتی در فیزیک کارکرد داشت، حتی پس از کسب اطلاعات بیشتر در مورد نوترینوها مانند این واقعیت که آنها در سه نوع یا “طعم” متفاوت هستند که هر نوع در تعامل خاصی می‌تواند شرکت داشته باشد. نوع اول الکترون‌نوترینوها هستند که همراه با الکترون‌ها ظاهر می‌شوند. نوع دوم میون‌نوترینوها هستند که با میون‌ها جفت می‌شوند و نوع سوم نیز تائونوترینوها هستند که با ذرات تائو همراه می‌شوند.
این تفکر درباره انواع مختلف نوترینوها به خوبی با یک نوترینوی بدون جرم مطابقت دارد. اما پس از آن در دهه ۱۹۶۰، فیزیکدانان متوجه شدند که این سه نوع نوترینو می‌توانند “نوسان” کنند یا در حین سفر از نوعی به نوع دیگر، تغییر کنند.
این در حالی است که نوترینوها برای نوسان بین طعم‌های مختلف خود به جرم نیاز دارند و مشخص شد که مانند سه طعم نوترینو، سه جرم نوترینویی متفاوت نیز وجود دارد. برای اینکه نوترینوها نوسان داشته باشند، هر سه جرم باید بزرگتر از صفر باشند و همه باید متفاوت باشند. به این ترتیب، سه جرم با سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کنند و طعم‌ها بسته به حالت کوانتومی سه جرم در نوسان هستند. اگر جرم‌ها همه صفر بودند، نوترینوها با سرعت نور حرکت می‌کردند و فرصتی برای نوسان نداشتند.
با این حال، هر جرم با یک نوع خاص از نوترینو مطابقت ندارد و در عوض هر طعم از ترکیبی از این جرم‌ها تشکیل شده است. برای مثال آنچه ما به عنوان الکترون‌نوترینو می‌بینیم، ترکیب پیچیده‌ای از سه نوترینوی مختلف با سه جرم متفاوت است.
تا به امروز، فیزیکدانان هنوز جرم سه نوع نوترینوی شناسایی شده را نمی‌دانند، چرا که با محدودیت‌هایی مواجه هستند که توسط آزمایش‌های مختلف بر روی مجموع جرم ترکیبی نوترینو و برخی از تفاوت‌های جرم‌ها بین نوترینوهای مختلف احاطه شده است.
مشخص کردن جرم هر یک از انواع نوترینو کمک بزرگی به فیزیک ذرات خواهد کرد، زیرا ما نمی‌دانیم آنها چگونه دارای جرم هستند. مدل‌های نظری زیادی وجود دارد، اما نمی‌دانیم کدام درست است و یک جرم شناخته شده می‌تواند به این تلاش کمک کند.
در آلمان، دستگاهی موسوم به “کاترین”(KATRIN) مخفف عبارت “آزمایش نوترینو تریتیوم کارلسروهه” متعلق به مؤسسه فناوری “کارلسروهه” دقیقاً برای انجام این کار طراحی شده است. این دستگاه دارای مقدار بسیار زیادی تریتیوم و یک طیف‌سنج غول‌پیکر ۲۰۰ تنی است که انرژی الکترون‌ها را اندازه‌گیری می‌کند.
تریتیوم یک ایزوتوپ نادر و رادیواکتیو از هیدروژن است که حاوی یک پروتون و دو نوترون است. تریتیوم به طور طبیعی از طریق فرآیندی به نام واپاشی بتا تجزیه می‌شود که در آن یکی از نوترون‌های درون هسته به طور خود به خود و از طریق تعاملی که شامل نیروی هسته‌ای ضعیفی است، به یک پروتون تبدیل می‌شود. نتیجه اینکه این تبدیل منجر به گسیل یک الکترون و یک الکترون پادنوترینو می‌شود.
مقدار انرژی آزاد شده توسط این واکنش توسط انرژی هسته‌ای اتم تریتیوم تنظیم می‌شود، بنابراین الکترون و نوترینو باید در مجموع ۱۸.۶ کیلوولت انرژی را بین خود به اشتراک بگذارند. از آنجایی که تریتیوم اتم بسیار سبکی است، این یکی از کمترین انرژی‌های ممکن برای نوترینوها است که اندازه‌گیری جرم بسیار اندک نوترینو را تا حد امکان آسان می‌کند.
گاهی اوقات این واکنش انرژی بیشتر یا کمتری به نوترینو می‌دهد و هرچه باقی می‌ماند باید به سمت الکترون برود. اگر نوترینو بدون جرم باشد، پس هیچ محدودیتی برای انرژی وجود ندارد، درست مانند فوتون که هیچ محدودیتی ندارد. اما اگر نوترینو جرم داشته باشد، در آن صورت همیشه انرژیِ جرمِ استراحت خود را خواهد داشت، یعنی انرژی ذخیره شده در یک نوترینو در حالت سکون به دلیل جرم آن. به یاد داشته باشید که طبق معادله معروف اینشتین یعنی “E=mc^۲”، انرژی برابر است با جرم ضرب در یک عدد ثابت که مجذور سرعت نور است.
بنابراین هدف از آزمایش با “کاترین”، اندازه‌گیری انرژی الکترون‌هایی است که از تجزیه تریتیوم با استفاده از طیف‌سنج غول‌پیکر آن خارج می‌شوند. الکترون‌های پرانرژی دارای انرژی نزدیک به ۱۸.۶ الکترون‌ولت هستند که فقط کمی کاهش می‌یابد و آن هم دقیقاً به دلیل جرم نوترینو است.
اندازه‌گیری جرم نوترینو با “کاترین” در سال ۲۰۱۹ آغاز شد و تاکنون فیزیکدانان آن را به یک علم تبدیل کرده‌اند. “گویدو درکسلین” از موسسه فناوری کارلسروهه، سرپرست این پروژه گفت: “کاترین” در یک آزمایش با بالاترین نیازهای فناورانه اکنون مانند یک ساعت بی‌نقص در حال کار است.
در حالی که این آزمایش به بارهای واکنش فروپاشی تریتیوم نیاز داشت، محققان می‌گویند: این کار پرزحمت و پیچیده تنها راه برای حذف سوگیری سیستماتیک نتیجه‌ی ما به دلیل فرآیندهای تحریف‌کننده نتیجه بود. این تحریف‌ها همه منابع احتمالی آلودگی هستند که می‌توانند انرژی الکترون در سیگنال را نیز مانند اثرات میدان‌های مغناطیسی و ناکارآمدی در آشکارساز تحت تاثیر قرار دهند.
این تیم در آخرین آزمایش خود، انرژی بیش از ۳.۵ میلیون الکترون مستقل را اندازه‌گیری کرد. این عدد به خودی خود نشان‌دهنده کمتر از یک هزارم کل الکترون‌هایی است که تریتیوم ساطع می‌کند، زیرا این تیم فقط به الکترون‌های با بالاترین انرژی برای بررسی جرم نوترینو علاقه‌مند بود.
آنها پس از این تلاش شگرف حاصل از یک همکاری بین‌المللی تأیید کردند که نوترینو بزرگتر از ۰.۸ الکترون‌ولت نیست.
اکنون مطالعات بیشتر با “کاترین” برای اصلاح این نتیجه و احتمالاً کشف گونه‌های دیگری از نوترینوها ادامه خواهد یافت.