کشف نوترینوها در یک آزمایش برخورد دهنده برای اولین بار

اوایل سال جاری، برای اولین بار، دانشمندان نوترینوهای ایجاد شده در یک برخورد دهنده ذرات را شناسایی کردند.

به گزارش ایسنا و به نقل از ساینس‌آلرت، این ذرات زیراتمی فراوان و در عین حال مرموز به قدری از سایر مواد جدا شده‌اند که مانند شبح در آن‌ها حرکت می‌کنند و به آنها لقب «ذرات روح» داده‌ می‌شود.

محققان می‌گویند که این پژوهش نشان‌دهنده اولین مشاهده مستقیم نوترینوهای برخورددهنده است و به ما کمک می‌کند تا بفهمیم این ذرات چگونه شکل می‌گیرند، خواص آنها و نقش آنها در تکامل کیهان چیست.

نتایج به دست آمده با استفاده از آشکارساز «FASERnu» در برخورد هادرونی بزرگ در ماه مارس سال ۲۰۲۳ ارائه شد.

جاناتان فنگ (Jonathan Feng)، فیزیکدان ذرات از دانشگاه کالیفرنیا ارواین در آن زمان، گفت: ما نوترینوها را از یک منبع کاملا جدید که برخورد دهنده ذرات است، کشف کرده‌ایم که در آن دو پرتو ذرات با انرژی بسیار بالا به هم برخورد می‌کنند.

در حال حاضر، دو مقاله بررسی شده در نهایت منتشر شده‌اند و این کل موضوع را بسیار رسمی‌تر و هیجان‌ انگیزتر می‌کند.

نوترینوها یکی از فراوان‌ترین ذرات زیراتمی در کیهان هستند و پس از فوتون‌ها در رتبه دوم قرار دارند. اما آن‌ها هیچ بار الکتریکی ندارند، جرم آنها تقریبا صفر است و به سختی با ذرات دیگری که با آنها روبرو می‌شوند، برهمکنش می‌کنند. در حال حاضر صدها میلیارد نوترینو در بدن شما جریان دارند.

نوترینوها در شرایط پر انرژی تولید می‌شوند، مانند همجوشی هسته‌ای که در داخل ستاره‌ها اتفاق می‌افتد، یا انفجارهای ابرنواختری و در حالی که ممکن است روزانه متوجه آنها نشویم، فیزیکدانان بر این باورند که جرم آنها هر چند کم احتمالا بر گرانش کیهان تأثیر می‌گذارد.

اگرچه تعامل آنها با ماده اندک است، اما وجود دارد. یک نوترینوی کیهانی بارها و بارها، با ذره‌ای دیگر برخورد می‌کند و انفجار نوری بسیار ضعیفی تولید می‌کند.

آشکارسازهای زیرزمینی که از سایر تشعشعات در امان هستند، می‌توانند این انفجارها را تشخیص دهند.

با این حال، نوترینوهای تولید شده در برخورددهنده‌های ذرات، مدت‌هاست که مورد توجه فیزیکدانان بوده‌اند، زیرا انرژی‌های بالا در این برخورددهنده‌ها به اندازه نوترینوهای کم انرژی مورد مطالعه قرار نگرفته است.

جیمی بوید (Jamie Boyd)، فیزیکدان ذرات از سرن، می‌گوید: آن‌ها می‌توانند در مورد فضای عمیق به روش‌هایی که ما در غیر این صورت نمی‌توانیم در مورد آن بیاموزیم، به ما اطلاعات بدهند. این نوترینوهای بسیار پرانرژی در برخورد دهنده هادرونی بزرگ برای درک مشاهدات واقعا هیجان‌انگیز در اخترفیزیک ذرات مهم هستند.

«FASERnu» یک آشکارساز امولسیونی است که از صفحات تنگستن به ضخامت چند میلی‌متر و با لایه‌هایی از فیلم امولسیونی تشکیل شده است. تنگستن به دلیل چگالی بالای آن انتخاب شده، زیرا احتمال برهمکنش نوترینو را افزایش می‌دهد. آشکارساز شامل ۷۳۰ فیلم امولسیونی و مجموعا حدود یک تُن تنگستن است.

در طی آزمایش‌های ذرات در برخورد دهنده هادرونی بزرگ، نوترینوها می‌توانند با هسته‌های موجود در صفحات تنگستن برخورد کنند و ذراتی تولید کنند که در لایه‌های امولسیونی اثراتی باقی می‌گذارند.

این صفحات باید مانند فیلم عکاسی آماده شوند تا فیزیکدانان بتوانند مسیر ذرات را تجزیه و تحلیل کنند و بفهمند چه چیزی آنها را تولید کرده است.

۶ کاندیدای نوترینو در سال ۲۰۲۱ شناسایی و منتشر شدند. اکنون، محققان با استفاده از داده‌های سومین آزمایش برخورد دهنده هادرونی بزرگ ارتقاءیافته که سال گذشته آزمایش آن آغاز شد، کشف خود را تأیید کردند.

این بدان معناست که احتمال اینکه سیگنال‌ها به‌طور تصادفی تولید شده باشند، آنقدر کم است که تقریبا صفر در نظر گرفته می‌شود.

تیم FASER هنوز سخت در حال تجزیه و تحلیل داده‌های جمع آوری شده توسط آشکارساز خود هستند و به نظر می‌رسد که فعالیت آن‌ها کشف نوترینوهای بیشتری را در پی خواهد داشت. انتظار می‌رود دور سوم آزمایش برخورد دهنده هادرونی بزرگ تا سال ۲۰۲۶ ادامه داشته باشد و جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها ادامه دارد.

در سال ۲۰۲۱، فیزیکدان دیوید کاسپر (David Casper) از دانشگاه کالیفرنیا ارواین پیش بینی کرد که این دور آزمایش حدود ۱۰ هزار برهمکنش نوترینو را ایجاد می‌کند، این بدان معناست که ما تنها در آغاز راه آن چه FASERnu ارائه کرده است، هستیم.

نتایج این تیم در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

نوتریتو چیست؟

نوترینوها نوعی از ذرات شبیه به الکترون هستند و از خانواده ذرات بنیادی لپتون می‌آیند. نبود تقریبی جرم و بار در آن‌ها باعث تمایز این ذرات شده است.

نوترینوها که به عنوان بخشی از فرآیند واپاشی بتا که نوترون‌ها را به پروتون تبدیل می‌کند، ساطع می‌شوند، یکی از فراوان‌ترین ذرات زیراتمی در کیهان هستند که ده‌ها میلیارد مورد از آن‌ها در ثانیه به ناخن‌های شما برخورد می‌کند.

نوترینو تنها تحت تاثیر کشش گرانش و نیروی ضعیف زیراتمی قرار می‌گیرد. جرم نزدیک به صفر آنها و بی تفاوتی آنها نسبت به سایر نیروها، نام «ذره روح» را برای آنها به همراه داشته است.

ماهیت منحصر به فرد این ذرات آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای مطالعه رویدادهای کیهانی تبدیل کرده و آن‌ها حتی گزینه مناسبی برای بررسی ماده تاریک مرموز هستند.

آیا نوترینوها اشکال مختلفی دارند؟

آزمایش‌هایی که در دهه ۱۹۶۰ انجام شد، نشان داد که نوترینوها بیش از یک شکل دارند. ویژگی‌های کوانتومی تشکیل‌دهنده یک نوترینو در حین حرکت تکامل می‌یابد.

علاوه بر نوترینوی اصلی که در ارتباط با گسیل الکترون‌ها شناسایی شده بود، نوع دوم با مورد دیگری ارتباط دارد که از خانواده لپتون‌ها و البته بسیار سنگین‌تر از الکترون‌هاست. این عضو میون نام دارد.

با اثبات تجربی یک لپتون دیگر در سال ۱۹۷۵ به نام تاو، این ظن به وجود آمد که باید یک نوترینوی سوم نیز وجود داشته باشد.

اکنون پذیرفته شده است که سه نوع نوترینو وجود دارد: نوترینوی الکترونی، نوترینوی میون و نوترینوی تاو. در حالی که همه آنها متمایز هستند، تفاوت در انواع نوترینوهای ساطع شده از خورشید نشان می‌دهد که یک ذره می‌تواند بین اشکال مختلف در نوسان باشد.

برخی حتی گمان می‌کنند که نوع چهارمی نیز وجود دارد که حتی با نیروی ضعیف هم برهم کنش نمی‌کند. البته این گونه کاملا فرضی است و در مدل استاندارد فیزیک نمی‌گنجد.  

انتهای پیام