نوترینو
نوترینو یک ذره بنیادی است که از نظر الکتریکی خنثی بوده و به ندرت وارد برهمکنش می‌شود. نوترینو به معنی «کوچک خنثی»، معمولاً با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، از نظر الکتریکی خنثی بوده و قادر است از درون مواد تقریباً بدون هیچ برهمکنشی عبور نماید. نوترینوها دارای جرم بسیار کوچک، اما غیر صفر هستند. از آنجایی که نوترینوها بار الکتریکی ندارند، تحت تاثیر نیروهای الکترومغناطیس قرار نمی‌گیرند. نوترینوها تنها تحت تاثیر نیروی هسته‌ای ضعیف که در مقایسه دارای بُرد بسیار کوتاه‌تری از نیروی الکترومغناطیس است، قرار می‌گیرند. لذا قادر هستند مسافت‌های بسیار طولانی را درون مواد بدون برهمکنش طی نمایند.
نوترینوها در ضمن واپاشی بتا، در واکنش‌های هسته‌ای مانند آنچه در خورشید و یا راکتورهای اتمی رخ می‌دهند و هچنین در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با اتم‌ها ایجاد می‌گردند.
سه نوع یا «طعم» نوترینو وجود دارد: نوترینوهای الکترون، نوترینوهای میون و نوترینوهای تاو. همچنین هر یک از آنها پادذره مربوط به خود بنام پادنوترینو دارند.
بیشتر نوترینوهایی که از زمین عبور می‌کنند، از خورشید صادر می‌شوند. در هر ثانیه از هر سانتیمتر مربع زمین، در حدود ۶۵ میلیارد نوترینوی خورشیدی عبور می‌کند.
محتویات
تاریخچه کشف نوترینو
تاریخچه کشف نوترینو، بطور خلاصه بدین قرار است:
- در سال ۱۹۱۴ جیمز چادویک به مسئله ابهام‌آمیز مربوط به انرژی حرکتی ذراتی که از مواد رادیواکتیو صادر می‌شدند، برخورد کرد.
- در سال ۱۹۳۰ ایده نوترینو هنگامی بدنیا آمد که ولفگانگ پاولی چاره‌ای برای حفظ اصل پایستگی انرژی در تولید ذرات بت اندیشید. پاولی هنگامی که برای نخستین بار تئوری خود را عرضه داشت، نوترون هنوز کشف نشده بود!
- در سال ۱۹۳۲ چادویک موفق به کشف نوترون گردید و در سال ۱۹۳۳ کارل دیوید آندرسون اولین پادذره یعنی پوزیترون را کشف نمود.
- در سال ۱۹۵۶، ۲۵ سال پس از اینکه پاولی امکان وجود نوترینو را پیشنهاد کرده بود، و ۴۲ سال پس از اینکه ابهامات مربوط به پرتو بتا مطرح گردید، کلاید کووان و فردریک رینز رسماً اعلام کردند که وجود نوترینو بالاخره به اثبات رسید.
- در سال ۱۹۶۲ دومین نوع نوترینو یعنی نوترینوهای میون کشف گردیدند.
- در سال ۱۹۶۸ برونو پونته‌کورو و ولادیمیر گیربف در پی ابهامات بوجود آمده در اندازه‌گیری تعداد نوترینوهای خورشیدی عبوری از زمین، بیان نمودند که اگر نوترینوها دارای جرم غیر صفر باشند آنگاه می‌توانند از یک نوع به نوع دیگر تغییر نمایند. بنابراین نوترینوهای خورشیدی گمشده، می‌توانند نوترینوهای الکترونی باشند که در طول مسیر خود به سوی زمین به نوعی دیگر تغییر یافته‌اند و از دید آشکارسازها پنهان می‌مانند. تا پیش از این عقیده عمومی بر این رایج بود که نوترینوها دارای جرم صفر هستند.
- در سال ۱۹۷۸ نیاز به وجود نوع سوم آن بنام نوترینوهای تاو اعلام شد. ولی تا ۱۹۹۸، یعنی تا ۲۰ سال پس از آن، مشاهده آن هنوز امکان‌پذیر نشده بود.
- در سال ۱۹۹۸ تیم تحقیقاتی سوپر کامیوکانده خبر از قرائن و شواهدی درباره نوترینوهایی بدون جرم صفر دادند.
- در سال ۲۰۱۰ تیم تحقیقاتی INFN در گرن‌ساسو ایتالیا، که بر روی آشکارساز اپرا کار می کنند، مشاهده کردند که تعدادی از نوترینوهایی که از سرن گسیل شدند و از نوع نوترینوی میونی بودند، در طول سفر از لابراتوارهای سرن واقع در ژنو با عبور از تونلی به طول ۷۳۰ کیلومتر، به نوترینوهای تاو تبدیل شدند (نوسان کردند و تغییر طعم دادند). نتایج این نوسان اثبات کرد که حداقل یکی از این سه نوع نوترینو می‌تواند جرم داشته باشد.در سال ۲۰۱۱ تیم تحقیقاتی آشکارساز اپرا اعلام نمودند که مشاهدات آنها نشان می‌دهد که سرعت نوترینوها از سرعت نور نیز فراتر می‌روند. با این وجود، تیم تحقیقاتی سرن در یافته خود محتاط هستند و آن را به بوته آزمایش دیگر دانشمندان گذاشته‌اند.
پادنوترینو
پادنوترینو پادذره نوترینو است که در واپاشی بتا ایجاد شده و از نظر بار الکتریکی خنثی است. مشاهدات مربوط به نوسان نوترینو نشان داده است که پادنوترینوها دارای جرم هستند. از آنجایی که نوترینوها و پادنوترینوها ذرات خنثی هستند، این امکان وجود دارد که هردوی آنها در واقع یک ذره باشند. ذراتی که دارای چنین مشخصه‌ای هستند، به عنوان ذرات مایورانا شناخته می‌شوند. اگر نوترینوها ذرات مایورانا باشند آنگاه واپاشی بتای دوتایی بدون نوترینو امکان‌پذیر خواهد بود.
سرعت نوترینو
پپش از ظهور ایده نوسان نوترینو (تغییر طعم)، عموماً سرعت نوترینو برابر سرعت نور درنظر گرفته می‌شد. موضوع سرعت نوترینو بستگی مستقیم به جرم آن دارد. براساس قانون نسبیت خاص اگر نوترینوها بدون جرم هستند آنگاه باید با سرعت نور حرکت نمایند و درصورتی که دارای جرم باشند، دیگر نمی‌توانند به سرعت نور برسند.
در تاریخ ۲۳ سپتامبر ۲۰۱۱ (۱ مهر ۱۳۹۰)، تیم تحقیقاتی آشکارساز اپرا اعلام نمودند که مشاهدات آنها نشان می‌دهد که سرعت نوترینوها از سرعت نور نیز فراتر می‌روند. مشاهدات انجام شده در گرن‌ساسو ایتالیا، بر روی ۱۵۰۰۰ نوترینو گسیل شده از سرن واقع در ژنو پس از عبور از تونلی به طول ۷۳۰ کیلومتر، بیانگر این است که سرعت نوترینوها در این آزمایش ۰٫۰۰۲٪ (۲۰ واحد در میلیون) بالاتر از سرعت نور بوده است. با این وجود، تیم تحقیقاتی سرن در یافته خود محتاط هستند و آن را به بوته آزمایش دیگر دانشمندان گذاشته‌اند.
تا به امروز علم فیزیک مدرن خصوصاً پس از تئوری نسبیت خاص آلبرت انیشتین، سرعتی بالاتر از سرعت نور را نمی‌شناخت. به این ترتیب، اگر یافته جدید محققان سرن تایید شود، فرضیه نسبیت اینشتین و در نتیجه، نگرش بشر امروز نسبت به جهان هستی و رفتار پدیده‌های کیهانی به گونه‌ای اساسی دگرگون خواهد شد.
به گفته پژوهشگران، حتی با منظور کردن ضریب خطا در این آزمایش، فزونی سرعت حرکت این ذرات از سرعت نور قابل قبول بوده است. آنان گفته‌اند که با توجه به اهمیتی که چنین کشفی داشته، مدتی را به بررسی آن پرداختند تا اطمینان حاصل کنند در جریان انجام آزمایش و اندازه‌گیری نتیجه آن، اشتباهی روی نداده است. چند سال پیش، آزمایشگاه فرمی‌لب در شیکاگو نیز به کشف مشابهی دست یافت اما به دلیل خطای قابل ملاحظه‌ای که در اندازه‌گیری وجود داشت، آن را معتبر ندانست. یژوهشگران سرن، ضمن ابراز تعجب از چنین کشفی، وعده داده‌اند که به زودی جزئیات بیشتری را در این زمینه منتشر کنند تا سایر فیزیکدانان نیز بتوانند به تکرار آزمایش و بررسی مستقل این پدیده بپردازند.
ارزیابی شتابزده پژوهشگران سرن
ارزیابی شتابزده پژوهشگران مرکز تحقیقاتی سرن، پیش از این که باعث تغییر قوانین فیزیک شود، باعث جدی‌تر شدن نظارت بر تجهیزات خواهد شد، چرا که سخن از خطای انسانی در نتیجه‌گیری عجیب آنها به میان آمده و به نظر می‌رسد نوترینوهای مورد نظر آنان سرعتی بیشتز از نور نداشته اند.
براساس قانون نسبیّت خاص اگر نوترینوها (نیت ری نوز) بدون جرم هستند باید با سرعت نور حرکت نمایند و درصورتی که دارای جرم باشند (دارای جرم بسیار کوچک، اما غیر صفر هستند)، دیگر نمی‌توانند به سرعت نور برسند. گویا مشکلات در آزمایش به استفاده از سامانهٔ موقعیت‌یاب جهانی جی‌پی‌اس برای همزمان کردن ساعت‌های اتمی هر دو سوی این مسیر برمی‌گشت. گذر زمان در ساعت‌ها بین رسیدن سیگنال سنکرون‌کننده باید در نظر گرفته می‌شد و احتمالا این کار به درستی انجام نشده و چه بسا یک اتصال مشکل‌دار بین سیگنال جی‌پی‌اس و ساعت اصلی وجود داشته است.
خطا در نوسان‌سازی که برای اعمال برچسب‌های زمانی برای سنکرون کردن جی‌پی‌اس (وصل دو شبکه کاملاً مجزا به طریقی که هیچ نوع شدت جریان ضربه ای قابل ملاحظه ای ایجاد نشود) به کار رفته، می‌تواند منجر به اشتباه در برآورد زمان سفر نوترینوها و اضافه‌تر محاسبه شدن این زمان شده باشد.
همزمان کردن ساعت ها به دلیل اثرات نسبیت خاص و عام هم می‌تواند به خطایی از مرتبه ی چند ده نانو ثانیه منجر بشود که به اشتباه به سرعت بیش از سرعت نور تعبیر شده است.
جرم نوترینو
درمدل استاندارد ذرات بنيادی فرض شده که نوترینوها بدون جرم هستند و این موضوع عقیده رایج تا دهه هفتاد میلادی بود. در سال ۱۹۹۸ نتایج تحقیقات در آشکارساز نوترینوی سوپر کامیوکانده مشخص نمود که نوترینوها می‌توانند از یک طعم به طعم دیگر نوسان نمایند، این موضوع مستلزم آن است که آنها باید جرم غیر صفر داشته باشند. این ایده اولین بار در سال ۱۹۶۸ توسط برونو پونته‌کورو در پی ابهامات بوجود آمده در اندازه‌گیری تعداد نوترینوهای خورشیدی عبوری از زمین، مطرح شد. در سال ۲۰۱۰ آشکارساز اپرا تغییر طعم نوترینوهای میونی به نوترینوهای تاو را ثبت نمود.
برخی آمار و ارقام
- در هر ثانیه از هر سانتیمتر مربع زمین، در حدود ۶۵ میلیارد نوترینوی خورشیدی عبور می‌کند. اما این باران بسیار عظیم از دید انسان‌ها پوشیده است!
- بدن ما در حدود ۲۰ میلی‌گرم پتاسیم ۴۰ دارد که تولید اشعه رادیواکتیو بتا می‌نماید. در نتیجه ما بدون اینکه خود بدانیم، روزانه در حدود ۳۴۰ میلیون نوترینو صادر می‌کنیم. به این ترتیب آنها با سرعت نزدیک به سرعت نور از ما خارج می‌شوند و تا پایان جهان به سفر خود ادامه می‌دهند.
- تخمین زده می‌شود که در حدود ۳۳۰ نوترینو در هر سانتیمتر مکعب از کائنات وجود دارد، به عبارتی ۳۳۰ میلیون در هر متر مکعب. این عدد بسیار بزرگی است. جهت مقایسه، بطور متوسط نیم پروتون در هر متر مکعب از کائنات وجود دارد. به این ترتیب تعداد نوترینوها نزدیک به یک میلیارد برابر تعداد پروتون ها است. لذا در این کائنات آنچه که ما به عنوان ماده (پروتون، نوترون و الکترون) می‌شناسیم شاید از نظر کمیت خیلی مهم نباشند.
- تعداد نوترینوها در هر سانتیمتر مکعب از کیهان:
- ۳۳۰ نوترینو، مربوط به مهبانگ
- ۰٫۰۰۰۲ نوترینو، مربوط به ابرنواخترها (سوپرنواها)
- ۰٫۰۰۰۰۰۶ نوترینو، مربوط به ستارگان
منابع
ويكي پديافارسي[۱]
