فیزیکدانان و شکار ذرات شبح‌وار


فیزیکدانان و شکار ذرات شبح‌وار

نوشتهاز سوی blogmaker95 در چهارشنبه 8 اسفند 1397 - 13:43

در هر ثانیه از هر روز، شما توسّط تریلیون‌ها تریلیون ذرّه‌ی زیراتمی که از اعماق فضا به سمت زمین می‌بارند، بمباران می‌شوید. آن‌ها با قدرتی نظیر یک تندباد کیهانی و با سرعتی نزدیک به سرعت نور از شما رد می‌شوند. این ذرّات، شب و روز از تمام آسمان به زمین می‌آیند. میدان مغناطیسی زمین و همچنین اتمسفر زیستگاهمان برایشان همچون کَره‌ی صبحانه‌ای است که به راحتی می‌توانند از آن رد شوند. امّا با این اوصاف، حتّی خم به ابروی شما نمی‌آید! قضیه از چه قرار است؟

تصویر

این گلوله‌های ریز، «نوترینو (Neutrino)» نام دارند؛ عبارتی که در سال ۱۹۳۴ م. (۱۳۱۲ ه‍.ش) توسّط فیزیکدان برجسته، «انریکو فرمی»، به آن‌ها اختصاص داده شد. به طور تحت‌الّفظی، این کلمه در زبان ایتالیایی به معنای «کوچولوی خنثی» است. وجود این ذرّات در اصل فرضیه‌ای بود تا آزمایشات هسته‌ای عجیبی را توضیح دهد.

گاهی عناصر کمی در حالتی ناپایدار قرار می‌گیرند؛ و در صورتی که برای مدّت زیادی در این حالت باقی بمانند، فروپاشی شده و به عناصر سبک‌تری در جدول تناوبی تبدیل می‌شوند. علاوه‌ بر آن، الکترون کوچکی نیز آزاد می‌شود. امّا در دهه‌ی ۱۹۲۰ م. (سال‌های ۱۲۹۸ ه‍.ش تا ۱۳۰۸)، مشاهدات دقیق‌تری نشان داد که اختلاف عجیب و بسیار کوچکی وجود دارد: مجموع انرژی در آغاز فرآیند، کمی کمتر از انرژی خروجی بود. محاسبات ریاضیات با هم جور در نمی‌آمد. بسیار عجیب بود. بنابراین برخی از فیزیکدانان، سخن از ذرّه‌ی کاملاً جدیدی به میان آوردند؛ چیزی که حامل این اندک انرژی گم‌شده بود. چیزی کوچک، سبُک و بدون بار که می‌توانست بدون جلب توجّه از میان سنسورهای آشکارگر عبور کند.

یک کوچولوی خنثی. یک نوترینو

دو دهه‌ی دیگر زمان بُرد تا وجود این ذرات ثابت شود و همین موضوع، گواه دیگری بر این است که این ذرّات تا چه حد پنهان هستند و به راحتی از همه‌چیز عبور می‌کنند. به هر حال در نهایت در سال ۱۹۵۶ م. (۱۳۳۴ ه‍.ش)، نوترینوها به خانواده‌ی در حال رشدِ ذرّات شناخته‌شده، سنجیده‌شده و تأیید شده پیوستند. و سپس همه‌چیز شروع به عجیب و عجیب‌تر شدن کرد.

در انواع طعم‌ها و رنگ‌ها!

مشکل با کشف میون(muon) آشکار شد؛ آن‌هم تصادفاً همزمان با آن‌که ایده‌ی نوترینو در حال مقبولیت پیدا کردن بود؛ یعنی دهه‌ی ۱۹۳۰ م. (سال‌های ۱۳۰۸ ه‍‌.ش تا ۱۳۱۸). میون تقریباً شبیه الکترون است – بار یکسان، اسپین یکسان؛ امّا یک تفاوت اساسی وجود دارد: میون بسیار سنگین‌تر است؛ بیش از ۲۰۰ برابر سنگین‌تر از برادرش الکترون. میون‌ها در واکنش‌های ذرّه‌ای خاصّ خود شرکت می‌کنند که البته تمایل چندانی به دوام طولانی‌مدّت ندارند. به دلیل جرم زیادشان، بسیار ناپایدار بوده و به سرعت (در حدّ یک تا دو میکروثانیه) به بارانی از ذرّات کوچک‌تری فرو می‌پاشند.

تصویر

پس نقش میون‌ها در تئاتر نوترینو چیست؟

فیزیکدانان متوجّه شدند که واکنش‌های فروپاشی‌ای که از وجود نوترینو خبر می‌داد، همیشه الکترونی را آزاد می‌کرد؛ در حالی که هیچ میونی آزادسازی نمی‌شد. در واکنش‌های دیگری، میون آزادسازی می‌‎شد و نه الکترون. برای توضیح این یافته‌ها، آن‌ها این‌طور استدلال کردند که در این واکنش‌های فروپاشی، نوع خاصّی از نوترینوها (و نه هیچ نوع دیگری) همیشه با الکترون‌ها جفت می‌شوند؛ پس میون‌ها نیز باید با نوع دیگری از نوترینو که هنوز کشف نشده است جفت شوند؛ چرا که نوترینوهای الکترون‌دوست نمی‌توانستند مشاهدات مربوط به میون‌ها را توضیح دهند.

بنابراین شکارِ شبح آغاز شد و ادامه پیدا کرد تا بالاخره در سال ۱۹۶۲ م. (۱۳۴۰ ه‍.ش)، فیزیکدانان موفّق به شناسایی دوّمین نوع از نوترینو شدند. در ابتدا نام «neutretto» برای آن در نظر گرفته شده بود؛ امّا بعد تصمیم بر این شد که آن را «میون-نوترینو (muon-neutrino)» نام‌گذاری کنند؛ چرا که همیشه در واکنش‌ها، با میون جفت می‌شد.

جادّه‌ی تاو

تا این‌جا وجود دو نوع نوترینو تأیید شد. امّا آیا طبیعت داستان‌های بیشتری برای ما داشت؟ در سال ۱۹۷۵ م. (۱۳۵۳ ه‍.ش)، محقّقان در مرکز شتاب‌دهنده‌ی خطّی استنفورد، با بررسی انبوهی از داده‌ها موفّق به پرده‌برداری از وجود برادر سنگین‌تری از الکترون و پروتون شدند: تاو (tau)، با جرمی بالغ بر ۳۵۰۰ برابر الکترون. واقعاً ذرّه‌ی بزرگی است! بنابراین به سرعت این سؤال مطرح شد: اگر این خانواده از ذرّات، سه نفره است – الکترون، میون و تاو – آیا نوترینوی سوّمی نیز وجود دارد که با عضو تازه کشف شده جفت شود؟

شاید، و شاید نه. شاید فقط دو نوترینو وجود داشت. شاید چهار و شاید هم ۱۷٫ طبیعت هیچگاه الزامی برای عمل کردن مطابق انتظارات ما نداشت؛ پس دلیلی ندارد که اکنون حتماً طبق انتظارات ما باشد. با صرف‌‎نظر از بسیاری جزئیات، پس از دهه‌ها آزمایش و تحلیل داده‌ها، فیزیکدانان به این نتیجه رسیدند که به نظر می‌آید نوترینوی سوّمی نیز وجود دارد. در نهایت، در سال ۲۰۰۰ م. (۱۳۷۸ ه‍.ش) در آزمایش ویژه‌ای که خاصّ همین امر در آزمایشگاه ملی فرمی معروف به فرمی لب(Fermilab) طرّاحی شده بود (و با شوخ‌طبعی، نام «دونات – DONUT» بر آن نهاده شده بود که مخفف «Direct Observation of the NU Tau» بود)، بالاخره مشاهدات موفّق کافی برای تأیید این ادّعا جمع‌آوری شد.

تصویر

تعقیب اشباح

امّا چرا نوترینوها تا این اندازه برای ما اهمّیت دارند و چرا بیش از ۷۰ سال – از سال‌ها پیش از جنگ جهانی دوّم تا دوران مدرن – است که در تعقیبشان هستیم؟ چرا این ذرّات کوچک و خنثی، ده‌ها نسل از دانشمندان را مجذوب خود کرده‌اند؟ دلیلش این است که نوترینوها همچنان خارج از مرزهای انتظارات ما قرار گرفته اند. برای مدّت زیادی ما حتّی از وجود آن‌ها نیز اطمینان نداشتیم. پس از آن، برای دوره‌ای نیز قانع شده بودیم که آن‌ها کاملاً بدون جرم هستند؛ تا زمانی که آزمایشاتی نشان داد که آن‌ها باید دارای جرم باشند. «دقیقاً چقدر؟» همچنان یک مسئله‌ی مدرن باقی مانده‌است. همچنین نوترینوها عادت عجیب تغییر ماهیت در طول سفر را دارند! بلی، هنگامی که نوترینویی در حال پرواز و جابه‌جاییست، می‌تواند نقاب خود را به یکی از این سه نوع تغییر دهد.

حتّی ممکن است هنوز یک نوع نوترینوی دیگر نیز وجود داشته باشد که در تعاملات معمولی شرکت نمی‌کند — چیزی موسوم به «سترون-نوترینو (Sterile neutrino)» که فیزیکدانان با میل زیادی در تکاپوی شکارش هستند. به بیانی دیگر، نوترینوها مرتّب در حال به چالش کشیدن هرچه از فیزیک می‌دانیم هستند؛ و البته اگر فقط یک چیز باشد که چه برای گذشته و چه آینده نیاز داشته باشیم، آن چیز، یک چالش حسابی است!
 
سپـاس : 5

ارسـال : 17


نام: تینا صالحی
سن: 18 سال
شهر: اهواز
نام نویسی: 97/11/11

زن

بازگشت به مکانیک کوانتومی نسبیتی - دینامیک کوانتومی - گرانش - ریسمان

چه کسی هم اکنون اینجاست ؟

کاربرانی که در این تالار هستند: بدون کاربران عضو شده و 2 مهمان


cron