مشکل نوترینوهای خورشیدی، یک داستان کارآگاهی حل شده!

نوترینو، ذره ای بنیادی با برهم کنش بسیار کم که هم اکنون که درحال خواندن این جملات هستید میلیونها عدد از آنها در حال عبور از بدن شماست! نه تنها شما بلکه درحال عبور از کره ی زمین بدون هیچ گونه برهم کنشی است. مشکل نوترینوی خورشید یک داستان کارآگاهی حل شده است!

اولین بار در سال 1970ریموند دیویس شار نوترینوی خورشید را توسط آشکارسازی که آنرا در عمق 1مایلی زیر زمین قرار داده بود اندازه گیری کرد. ذرات دیگر نمی توانند به خوبی نوترینو بدون برهم کنش از زمین عبور کنند و بطور حتم در عمقی گیر خواهند افتاد. در نتیجه دیویس آشکار سازی  ساخت که مطمئن بود در حال اندازه گیری نوترینوهایی است که هشت دقیقه پیش در هسته ی خورشید تولید شده اند. آشکار ساز دیویس چه بود؟؟آشکارساز او حاوی 615000 کیلوگرم مایع غیرپرتوزا (تتراکلروتیلن) در حجم 377000 لیتر (صدهزار گالن ) بود. یکی از ایزوتوپ های کلر با عدد جرمی 37، برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو آرگول با نیمه عمر 35 روزه، قادر به برهم کنش با نوترینوهای دارای انرژی کافی می باشد.

هرچند ماه یکبار دیویس و همکارانش آرگونهای جمع آوری شده مخزن را با دقت تخلیه می کردند و تعداد اتم های آرگون تولید شده را تعیین می کردند. پیش بینی با مقدار واقعی بسیار متفاوت بود. تنها یک اتم آرگون در هر دوروز در مخزن ده هزار گالنی تولید میشد! بسیار کمتر از مقدار پیش بینی شده! نوترینوهای خورشیدی کجا بودند؟؟؟

آشکارساز نوترینوی خورشیدی ریموند-دیویس

آزمایشات دیگر نوترینویی که بطور اساسی با آزمایش کلر متفاوت هستند نیز اختلاف میان پیش بینی الگوی خورشیدی و تعداد نوترینوهای مشاهده شده را تایید میکنند. رصد خانه ی سوپر کامیوکاند ژاپن که نور چرنکو تولیدی هنگام پراکنده شدن الکترونها توسط نوترینو ها را آشکار سازی میکند سبب میشود الکترونها با تندی هایی بیشتر از سرعت نور در آب حرکت کنند (دقت کنید که این امر نظریه نسبیت خاص انشتین را نقض نمیکند زیرا این نظریه برای تندی نور در خلا به کار می رود. تندی نور در هر محیط دیگری همیشه کمتر از تندی نور در خلا است) و تعداد نوترینو های آشکار سازی شده توسط کامیوکاند کمتر از نصف تعداد مورد انتظار از الگوهای خورشیدی می باشد. آزمایش "سیگ SAGE_" کار مشترک(شوروی – آمریکا) در آزمایشگاهی واقع در کوهی در قفقاز و نیز آزمایش "گلکسGALLEX_" در آزمایشگاه زیرزمینی گران ساسو در ایتالیا کارهای مشابهی انجام دادند و هر دو آزمایش کمبود نوترینو را که اولین بار در آشکار ساز دیویس دیده شده بود، تایید کردند. محققین دو نوع استدلال کردند: اول اینکه هرکدام از فرایندهای فیزیکی اساسی که در الگوی خورشید به کار می روند نادرست می باشند. دوم اینکه اتفاقی مجهول در مسیر نوترینوها از هسته خورشید تا زمین اتفاق می افتد. چند پیشنهاد مانند کدری مواد ستاره ای، تحول خورشید، آهنگ واکنش هسته ای، تغییرات در ترکیب شیمیایی خورشید و چند پیشنهاد عجیب تر(از جمله وجود ماده تاریک در هسته خورشید!) ارائه شد. با این حال هیچ کدام از این راه حل های پیشنهادی توانایی برآوردن محدودیت های مشاهده شده در تعداد نوترینو ها را نداشتند.

رصدخانه نوترینوی سوپرکامیوکاند در ژاپن حاوی 50000 تن آب خالص است.همانطور که نوترینوها از آب می گذرند الکترونها را با تندی بزرگتر از تندی نور در آب پراکنده می کنند.(عکس با لطف و همکاری رصدخانه ی کامیوکاند)

 

در این میان یک راه حل ظریف پیشنهاد شد که می گفت: الگوی خورشیدی ما اساساً صحیح است اما نوترینوهایی که در هسته ی خورشید تولید میشوند در واقع قبل از اینکه به زمین برسند تغییر می کنند. یعنی از نوعی به نوع دیگر تبدیل میشوند. اثر میخایف-اسمیرنوف-ولفنشتین یا (MSW)  شامل تبدیل نوترینو ها از نوعی به نوع دیگر است. سه مزه از نوترینوها وجود دارد: نوترینوهای الکترونی، نوترینوهای تاوی و نوترینوهای میونی. پیشنهادی که ارائه شد میگفت نوترینوها در حین عبور از خورشید میان این مزه ها در حال نوسان هستند. نوسانات نوترینوها ناشی از برهم کنش با الکترونها می باشد. از آنجا که عنصر کلر در (آزمایش دیویس)، آب در (کامیوکاند) و گالیوم در (سیگ و گلکس) انرژی های آستانه ی متفاوتی دارند، تنها به نوترینوهای الکترونی حساس هستند! این نتایج با نظریه ی MSW سازگار می باشد.

زمانیکه از سوپرکامیوکاند برای آشکارسازی نوترینوهای جوی که از برخورد پرتوهای کیهانی با انرژی بالا با جو بالاتر زمین تولید میشوند استفاده شد، نوسان نوترینو تایید گردید. پرتوهای کیهانی قادر به تولید هردو نوترینوی الکترونی و میونی هستند اما نوترینوی تاو تولید نمی کنند. بنابراین پس از چندین دهه مطالعه ، با پیشرفت عمیق در درک فیزیک ذرات و ماهیت نیروهای بنیادی مشکل نوترینوهای خورشیدی حل شد. در نتیجه کمک آنها به این داستان کارآگاهی علمی مهم سبب گردید ریموند دیویس و ماساتوچی کوشیبا، مدیر گروه تحقیقاتی کامیوکاند که آشکارسازی های نوترینو را تایید کردند دو تن از دریافت کنندگان جایزه نوبل فیزیک سال 2002 باشند.

جان باهکال همکار دیویس در سال 2004 در مورد تلاش برای حل مشکل نوترینوهای خورشیدی نوشت:

"زمانیکه به تحقیقات انجام شده در مورد نوترینوی خورشیدی در طول چهل سال گذشته نگاه میکنم شگفت زده میشوم. همکاری جامعه ی بین المللی متشکل از هزاران نفر فیزیکدان، شیمیدان، منجم و مهندس نشان داد که شمارش اتم های رادیواکتیو در یک استخر پر از مایع غیر پرتوزا در یک معدن عمیق در یک مایلی زیر زمین، چه چیزهای مهمی درباره ی مرکز خورشید و ماهیت ذرات بنیادی عجیبی که نوترینو نامیده میشوند بیان میکند...اگر در حماسه ی نوترینوهای خورشیدی شرکت نمی کردم ، باور نمیکردم که این امر امکان پذیر باشد !".

منبع: مقدمه ای بر اخترفیزیک جدید-کارول بردلی

همه نظرها (۰)

هیچ کس هنوز نظری ارسال نکرده