نوترینو؛ رازآلودترین ذره‌ی جهان هستی که از میان ما عبور می‌کند
نوترینو یکی از بنیادی‌ترین و در عین حال مرموزترین ذراتی است که بشر تاکنون شناخته است. این ذره‌ی عجیب با بار الکتریکی صفر، تقریبا هیچ برهم‌کنشی با ماده ندارد؛ به همین دلیل میلیاردها نوترینو در هر لحظه از بدن ما عبور می‌کنند بی‌آنکه کوچک‌ترین اثری بگذارند. این ویژگی، نوترینو را به شبحی کیهانی تبدیل کرده که نه‌تنها ردی از خود برجای نمی‌گذارد، بلکه ردیابی‌اش نیز کار بسیار دشواری‌ست.
ایده‌ی وجود نوترینو، نخستین بار در سال 1930 توسط ولفگانگ پاولی برای حل تضادهای موجود در واپاشی بتا مطرح شد. او معتقد بود که ذره‌ای ناشناخته، بخشی از انرژی واکنش را با خود می‌برد. با اینکه نوترون هنوز کشف نشده بود، پائولی فرضیه‌ی خود را مطرح کرد اما تا دهه‌ها بعد، این ذره تنها در حد یک گمانه باقی ماند.
تا اینکه در سال ۱۹۵۶، فردریک رینز و کلاید کووان موفق شدند وجود نوترینو را به‌صورت تجربی اثبات کنند؛ دستاوردی که در نهایت باعث شد رینز در سال ۱۹۹۵ برنده‌ی جایزه نوبل فیزیک شود. جالب است بدانید پیش از او، در سال ۱۹۸۸، لیان لدرمن، ملوین شوارتز و جک اشتینبرگر به دلیل کشف نوع دوم نوترینو، جایزه نوبل را دریافت کرده بودند.
نوترینوها از کجا می‌آیند؟
نوترینوها در فرآیندهای مختلف کیهانی مانند واکنش‌های هسته‌ای خورشید، برخورد پرتوهای کیهانی با جو زمین، و انفجارهای ابرنواختری تولید می‌شوند. در واقع، بیش از ۹۹ درصد انرژی آزاد شده از یک انفجار ابرنواختری توسط نوترینوها منتقل می‌شود. هر سانتی‌متر مربع از زمین در هر ثانیه، شاهد عبور حدود ۶۵ تا ۷۰ میلیارد نوترینوی خورشیدی است.
نوترینو چند نوع دارد و چرا اهمیت دارد؟
نوترینوها در سه نوع الکترونی، میونی و تاوی وجود دارند که همگی در دسته‌ی لپتون‌ها قرار می‌گیرند. مطالعات نشان داد که نوترینوها هنگام حرکت، می‌توانند از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شوند؛ پدیده‌ای که به «نوسان نوترینو» معروف است. این کشف بزرگ، نشان داد نوترینو برخلاف باور پیشین، دارای جرم است، هرچند بسیار ناچیز. این یافته‌ها در سال ۲۰۱۵، جایزه نوبل دیگری را برای دانشمندانی که نوسان نوترینوها را اثبات کردند، به ارمغان آورد.
وجود جرم در نوترینوها نه‌تنها مدل استاندارد فیزیک را با چالش مواجه کرد، بلکه پنجره‌ای نو به درک بهتر کیهان گشود. نوسانات نوترینویی می‌توانند رازهایی از جنس تقارن شکسته‌ی ماده و پاد‌ماده را برملا کنند؛ مسئله‌ای که به پرسش‌های اساسی درباره‌ی پیدایش جهان پاسخ می‌دهد.
شبح‌های غیرقابل‌مهار
نوترینوها به‌قدری نافذ و واکنش‌گریز هستند که می‌توانند از دیواره‌ای به ضخامت ۱۰ تریلیون کیلومتر سرب عبور کنند، بدون اینکه حتی با یک اتم برخورد کنند. همین ویژگی، ردیابی‌شان را به چالشی بزرگ برای فیزیک‌دانان تبدیل کرده است. برای مثال، آشکارسازهای نوترینو مثل سوپرکامیوکانده در ژاپن یا سادبری در کانادا در اعماق زمین ساخته شده‌اند تا از نویزهای پس‌زمینه جلوگیری شود و تنها نوترینوها را ردیابی کنند.
در سال ۱۹۸۷، انفجار یک ابرنواختر در نزدیکی کهکشان راه شیری، فرصتی فراهم آورد تا نوترینوهای کیهانی از منبعی به‌جز خورشید شناسایی شوند. هرچند تفاوت زمانی دریافت نوترینوها در آشکارسازهای مختلف ناچیز بود، اما همین اختلاف نشان می‌داد که نوترینوها باید جرمی هرچند اندک داشته باشند.
مسئله نوترینوی خورشیدی؛ راز گمشده‌ی ستاره ما
در دهه‌ی ۶۰ میلادی، دانشمندان انتظار داشتند شار خاصی از نوترینوهای خورشیدی را رصد کنند، اما چیزی که آشکارسازها دریافت می‌کردند، تنها یک‌سوم آن بود. این معما زمانی حل شد که مشخص شد الکترون نوترینوهای تولیدی خورشید در مسیر حرکت به زمین، به میون و تاو تبدیل می‌شوند. این یعنی نوترینوها جرم دارند و می‌توانند «دگردیسی» پیدا کنند؛ مفهومی که تا پیش از آن با نظریه‌ی استاندارد ذرات سازگار نبود.
آشکارسازهای پیشرفته مثل SNO موفق شدند هر سه نوع نوترینو را شناسایی کنند و اختلافات موجود را به‌درستی تحلیل کنند. این پژوهش‌ها تأییدی بر وجود جرم در نوترینوها و تغییر نوع آن‌ها بود؛ چیزی که پایه‌های فیزیک ذرات را به لرزه درآورد.