نگاهی به گذشته

نخستين بار ولفگانگ پائولي به  سال 1930  در توجيه پيوستگي طيف بتا به صورت نظري  وجود ذره اي جديد را مطرح کرد . انريکو فرمي  نام نوترينو را برآن نهاد  که به معني " کمي خنثي"  است . 26سال بعد تلاش دانشمندان براي آشکار سازي اين ذره به نتيجه رسيدو فردريک رينس و کلود کووان در سال 1956 ميلادي به صورت تجربي  و با بررسي حجمي از کلريد کاد ميموم به وسيله مايع سوسوزن در کنار يک راکتور، وجود اين ذره را اثبات کردند، فرد رینزدر سال 1995 به خاطر این کارِ انقلابی در فیزیک، جایزه نوبل را از آنِ خود کرد. ^c3 

 نوترینو : ذره اي است بنيادي ، پر نفوذ و با جرمي بسيار اندک، که با مواد دیگر از طریق اندرکنش های ضعیف واکنش می دهندودر حقيقت به همين خاطر است که نوترينوها از هر سدی عبور می کنند و گویی مواد مقابلشان همچون ماده ای شفاف در سر راه آنها قرار دارند. ^c1

خورشيد و ديگر ستارگان مقادير بسيار زيادي نوترينو را در طي واکنش شکافت و يا واپاشي در هسته خود  توليد مي کنند . علاوه بر آن ستارگان در حال انفجار نيز در زمره سرچشمه هاي نوترينو قرار مي گير ند .

نوترينوهاي اوليه ناشي از فعل وانفعالات نخستينِ کيهان و نيروگاه هاي هسته اي از منابع ديگر نوترينو به شمار مي آيند. به طور مثال خورشيد در هر ثانيه بيش از صد تريليون تريليون تريليون نوترينو توليد مي کند وآتشباره هاي يک ابر نواختر توانايي گسيل نوترينو تا صد ها برابر ميزان نوترينوي توليدي خورشيد (در طول  عمر ده بيليون ساله اين گوي آتشين)  را دارد. ^c1

 نکته دیگر اینکه بيليونها نوترينو در هر ثانيه از بدن شما عبور مي کنند و اين در حالي است که تنها  يک و يا دو نوترينو  در طول عمرتان از بدن شما پراکنده خواهند شد . ^c1

 در سالهاي اخير مدلهاي نظري خورشيدي اين اجازه را به محققين داده است تا به محاسبه تعداد نوترينوهاي گسيلي از خورشيد بپردازند. چندين آزمايش در اين ميان به سر انجام رسيده و نتيجه همه آنها ثبت مقادير اندک نوترينوي خورشيدي  بود ، که با تئوري، فاصله زيادي داشت. از اين کاهش شمارش در آشکار سازي نوترينوها تحت عنوان " معضل نوترينوي خورشيدي^* " ياد مي کنند. ^c2

ذرات بنيادي به دو دسته لپتونها و باريون ها تقسيم مي شوند. لپتونها خود شامل ميون ها، الکترونها وذرات تاو هستند. علاوه براينکه پاد ذره اين ذرات نيز در زمره لپتونها قرار مي گيرد.^T

نوترينوها يکي از اجزا اصلي تشکيل دهنده ماده و از نوع لپتون ها مي باشند که در سه نوع الکترون و ميون و تاو دسته بندي مي شوند.مقادير بسيار زيادي از نوترينوهاي الکتروني از خورشيد منشا مي گيرند، هر چند هر سه نوع نوترينو در انفجار هاي ابر نواختري نيز توليد مي گردند . اما به دليل اينکه نوترينوها از لحاظ الکتريکي خنثي مي باشند  و علاوه بر آن جرم بسيار اندکي داشته و با ساير مواد فقط از طريق اندرکنش ضعيف  ارتباط دارند لذا آشکارسازي آنها فوق العاده مشکل خواهد بود. ^a1

هر چند می دانیم که جرم این ذرات اسرارآمیز تقریبا صفر است با اینحال از میزان دقیق آن مطلع نیستیم.

اهمیت موضوع آن هنگام روشن می شود که به تعداد بسیار زیاد نوترینو های موجود در کیهان توجه کنیم

زیرا در صورتی که این ذرات  جرم اندکی نیز داشته باشند به دلیل تعداد زیادشان قادر خواهند بود با اثر گرانشی خود نقشی مهم در تکامل کیهان ایفا کنند . در این بین محاسبات اخیر اخترفیزیکدانها  اطلاعاتی را   پیرامون تکامل کیهان ارائه کرده است و علاقمندی به موضوع باعث جستجو برای کسب اطلاعات تکمیلی    

درباره جرم نوترینوها شده است.^c4 

  : SNO شکارچی نوترینو

آشکار سازی نوترینوهای ناشی از خورشید از طریق رصد بخش داخلی خورشید بسیار پر هزینه می باشد

نوترینوهای گریخته از  هسته خورشید بی هیچ مانعی به راه خود ادامه داده و تنها تعداد اندکی از آن از طریق دستگاه های زمینی قابل آشکار سازی می باشد.
به همین خاطر است که از آشکارساز SNO   تحت عنوان" پنجره  روی خورشید" یاد می کنند زیرا که نوترینوها همچون یک کاوشگر بروی مکانیسم هسته خورشیدی عمل می کنند .^c5

تا کنون با  چندین آزمایش شار نوترینوهای خورشیدی محاسبه شده است اما نتایج ناسازگار وگیج کننده بودند . پیش قراول این آزمایشها  آزمایش مخزن 600 تنی کُلرین توسط رِی دیویس در معدن  Homestake واقع در داکوتای جنوبی است.آزمایشاهای رادیو شیمیایی او که از سال 1967 آغاز شده بود  تنها به شواهدی مبنی بر یک سوم رخدادهای نوترینوی مورد انتظار دست یافته است. آزمایش آب سبک

چرنکوف (  Kamiokande )در ژاپن نیز که در سال 1986 ارتقا یافت تنها موفق به ثبت نیمی از رخدادهای مربوط به آن بخش از طیف نوترینوکه حساس تر می باشد ، شده بود .دو آشکار ساز جدید گالیومی (  Sage & Gallex   ) نیزکه انرژی آستانه کمتری دارند ، به 60 تا 70 در صد میزان مورد انتظار دست یافتند . اما در این بین واضح است که شار اندازه گیری شده کمتراز آن مقدار ی است که با توجه به دانش کنونی ، به دلیل سامانه های اندرکنشی در خورشید ، انتظار داریم.در هر حال به نظر می رسد این کمبود نوترینو ناشی از انرژی نوترینو ها باشد. خورشید درگستره ای از انرژی ها نوترینو تولید می کند و آشکار ساز های مختلف به گستره های متفاوتی از انرژی ها حساس می باشند . ^c6

گزینه ها یی که برای توجیه این رخداد قابل دفاعند عبارتند از:

# ساختار وسرشت خورشیدو صد البته مکانیسم های واکنشی آن به طور صحیح درک نشده است و این موضوع صدمه ای واقعی برای مدلهایی است که کاربرد هایی فراوان دارند .هر چند بسیاری از اصلاحات در نظر گرفته شده است با اینهال تاکنون هیچکدام برای جبران این کمبود  کافی نبوده اند.^c7

# یکسری اتفاقات در طی مسیر نوترینوها به سوی زمین برای این ذرات  رخ می دهد  به طور کلی، این ذرات می توانند به نوعی دیگر از نوترینو تبدیل شوند این ایده چندان احمقانه نیست ، در طی یک رخداد شناخته شده این تغییر برای  مزون ها  رخ داده است . ^c8

شما می توانید بگویید که همه این آزمایشها اشتباه بوده اند ، اما واقعا این دور از انتظار است . در آزمایشهای مختلف تکنیکهای آشکارسازی متفاوت  به کار بسته شد ،  فرآیندها به اتفاق مورد بازبینی قرار گرفتند و به وسیله منابع متعدد تنظیم شدند. ^c9

پس هیچ حرفی باقی نماده است !

آشکار سازهاي نمکي

عملکرد آشکار سار نوترينوي Super-Kamiokande  در ژاپن با حل کردن يکصد هزار کيلو گرم  از تري کلريد گادولينيم (عنصر نمک فلزي کمياب در زمين)  در مخزن پر  جرمي ازآب فوق خالص، در قلب آزمايش بهبود قابل توجهي يافت .جان بِـيکون از دانشگاه ايالتي اهايو و مارک واگينز  از  دانشگاه کاليفرنيا واقع در ايروين خاطرنشان کردند که تري کلريدگادولينيم  به فيزيکدانها اجازه خواهد داد تا براي نخستين بار به  آشکار سازي نوترينوهاي خارج از کهکشان راه شيري بپردازند.^a0

روشهاي متنوعي در سراسر جهان برا ي آشکارسازي نوترینو به کار ميرودکه از آن جمله مي توان به آشکار سازهاي نوترينوي خورشيدSuper-Kamiokande GALLEX,SNO, و ICARUS اشاره کرد.^T

آزمايش    Super-Kamiokande   شامل  پنجاه هزار تن آب معمولي بسيار خاص است که براي حفاظت

در مقابل پرتو هاي کيهاني  در داخل تانکي که هزار متر زير زمين قرار گرفته است  در مرکز ژاپن انجام مي گيرد. اين نوع سامانه قادر به آشکار سازي نوترينوهاي الکترون وميون  ناشي از درخشش تابش چرنکوف خواهد بود .هنگامي که نوترينو ها با الکترونهاي موجود در آب اندرکنش انجام مي دهند به دليل اينکه الکترون جدا شده با سرعتي بيش از سرعت نور در آب حرکت مي کند با عث توليد موج ضربه اي  الکترو مغناطيسي ونهايتا  گسيل  چرنکوف مي گردد. براي نخستين بار با استفاده از روش جديد ،  Super-Kamiokande  قادر به آشکار سازي پاد نوترينوها نيز  خواهد بود .^a2

 پاد نوترينوهاي الکتروني با پروتونهاي موجود در آب واکنش داده و به ازاي هر واکنش نوترون و پوزيترون توليد خواهد شد . به هرصورت نوترونها قابل مشاهده نيستند و پوزيترونها نيزاز تشعشعات پس زمينه  الکترونها وپرتو هاي گاما قابل  تمايز نخواهند بود.^a3

 بيکون و واگينز به اين حقيقت دست يافتند که  با اضافه کردن 2/0 درصد GdCl₃   با وزني در حدود صد تن به آب داخل آشکارساز مي توان بر اين مشکل فائق آمد. علت آن نيز کارايي بالاتر گادولينيوم  نسبت به پروتون در گير اندازي نوترون ها بود.اما در عوض سطح مقطع گادو لينيوم براي نوترون هاي حرارتي   در حدود  49000بارن مي باشد  اين در حالي است که سطح مقطع پروتون در اين مورد تنها 3/0بارن مي باشد. ^a4

 اين دو دانشمند در گفتگو با پايگاه اينتر نتي   PhysicsWeb.org   افزودند : آزمايشهاي موجود تنها قادر به آشکارسازي نوترينوهاي ابرنواختري  توليد شده در کهکشانهاي مجاور مي باشندو ما با معرفي اين روش جديد در حقيقت باعث گسترش محدوده اين آزمايشها به سوي نيمي از جهان شناخته شده پيرامونمان شده ايم. در واقع به جاي  سالها و دهه ها منتظر ماندن، ما جرياني دائمي ار نوترينوهاي ابر نواختري ناشي از کهکشانهاي دور دست را ثبت کرده ايم .  شيوه نوين   GdCl₃،  باعث افزايش حساسيت  Super-Kamiokande نسبت به پاد نوترينوهاي ناشي از راکتورهاي هسته اي  در مقايسه با آشکار ساز kamlandواقع شده در معدني يکسان ، به ميزان 50 برابر شده است .^a5

 {اين دو دانشمند  در حال اجراي R&D بروي تکنيک هاي جابجايي و تصفيه براي GdCl₃ در ايروين مي باشند و اميد وارند تا  سال آينده در  آشکار ساز 1000 تني ژاپن و همچنين تا تابستان 2006در  آشکار ساز  Super-Kamiokande خودشان  ،   اين تکنيکها را اجرا کنند.^a6 }

 سال گذشته  نیز فيزيکدانهاي رصدخانه نوترينوي سادباري^** (SNO)  در کانادا گزارش دادند که  با اضافه کردن 2000 کيلو گرم کلريد سديم خالص  حساسيت آشکار ساز شان را تا سه برابر افزايش داده اند.اين در حالي است که با استفاده از آب سنگين به جاي آب معمولي SNO قادر به آشکارسازي هر سه نوع نوترينو خواهد بود ، هر چند SNO نسبت به Super-Kamiokande رخدادهاي کمتري را آشکارسازي خواهد کرد.^a7

نسخه هاي فضايي

اما در بازار  ايده هاي جديد آشکار سازي  اختر فيزيکدانها جا نماندند و نسخه هاي ديگري براي معضل آشکار سازي تونرينوها پيچيدند .^T

چندي پيش اخترفيزيکداني در آمريکا ايده اي تازه براي آشکار سازي ذرات پر انرژي همچون نوترينوها ارئه داد . طرح او استفاده از يکي از اقمار مشتري به عنوان آشکار سازي ايده آل مي باشد .پيتر گورهام از دانشگاه هاوائي عقيده دارد که براي آشکارسازي ذرات با انرژيهايي بالاتر از  10²¹ مگا الکترون ولت نيازمند آشکار سازهايي  در اين مقياس  هستيم.^b0

توترينوهاي کم انرژي نشئت گرفته از خورشيد پيش از اين نيز در چند آزمايشگاه زميني ، مشاهده شده اند.با اينحال نوترينوهاي باانرژي بالاتر که از منابع کیهانی سر چشمه می گیرند، کميابتر بوده ونهايتا براي آشکارسازي آنها نيازمند آشکار سازهاي  عظيمي هستيم. ^b1

همانطور که پيش از اين نيز گفته شد نوترينوها با مواد، از طريق اندرکنش هاي ضعيف واکنش مي دهند ، و اين به آن معنا است که نوترينوها  مي توانند فواصل بسيار طولاني را در کيهان  و در ميان مواد بپيمايند بي آنکه اطلاعاتي را که پيرامون منشا خود حمل مي کنند، از  دست بدهند .^b2

هنگامي که نوترينوها از  ميان قالبهاي عظيم يخي عبور مي کنند، بر اثر برخورد با پروتونهاو نوترونهاي درون يخ، اين ذرات ريز درخششهايي از نوع تششعات چرنکوف را توليد مي کنند .با آشکار سازي اين درخششها مي توان به اطلاعاتي پيرامون نوترينو و منشا آن دست يافت.نمونه چنين آشکار سازي ، آماندا ( AMANDA   )  است که در جنوبگان فعاليت مي کند و قادر به گير اندازي نوترينوهايي  با  حد اکثر انرژي 10¹⁵ الکترون ولت مي باشد. نسل بعدي آشکار سازها که شامل  قابهاي يخي و  ANITA خواهد بود، ممکن است توانايي گير اندازي نوترينوها  تا انرژيهاي 10¹⁸ الکترون ولت را دارا باشد. ^b3

برهمين اساس پيترگورهام  پيشنهاد داده است که قالبهاي يخي عظيم شناور درگوشه و کنار منظومه شمسي ،  قادر به گير اندازي نوترينوها يي با انرژيهاي بالاتر ، حتي تا ميزان 10²¹ الکترون ولت  هستندو نهايتا رخدادِ القايي، به خاطر حضور آن نوترينو در قالب يخي، توسط مدار گردها قابل  بازبيني است. ^b4 

 اما در ميان اجرام منظومه  شمسي بهترين انتخاب ، يکي از قمرهاي مشتري ، يعني اروپا  است .  زيرا اين قمر داراي لايه اي نازک از يخ در سطح خود مي باشد که  بيشتر از مقاديرِ یخِ روي زمين است . نکته مهم در اين ميان ،دماي  90 کلويني يخهاي اروپا است ، که درمقايسه با يخهاي قطب جنوب( با دمايي در حدود 240 درجه کلوين) داراي نويز حرارتي کمتري مي باشد و نهايتا منجر به افزايش کارايي آشکار ساز مي شود.^b5

در هر صورت  افزايش راندمان آشکارسازي نوترينوها به بسياري از سوا لات خصوصا پـیرامون ميزان جرم

 و تغيير نوع  اين ذرات شگفت انگیز پاسخ خواهد داد.^T

*Solar Neutrino Problem  (SNP)

** رصد خانه نوترينوي سادبري  که از آوریل  1999 فعالیت خود را آغازکرد، بيش از 2000 متر زير زمين قرار گرفته و محفظه اي کروي  حاوي 1000 تن آب سنگين را در خود جاي داده است و پوششي 7000 تني از آب معمولي آنرا  احاطه کرده است.^T

 

براي مطالعه بيشتر در مورد نوترينوها وآشکار سازي آنها  مي توانيد به منابع زير مراجعه کنيد:

نجوم – مهر 1375

نجوم –  تير 1383

 

  منابع: 

         a , b :     http://www.physicsweb.org/news

c  :         http: //www.sno.queensu.ca