فراتر از امواج گرانشی: «نادرترین رخداد هستی»
راستش اگر بر فرض در ابتدای هستی ما بودیم و به آغاز جهان هستی نگاه میکردیم، حتی کوچکترین شانسی برای دیدن چیزی نداشتیم.
حتی اگر برای تریلیون تریلیون سال همانطور تماشا میکردیم، و اینقدر تحمل میکردیم تا کل گیتی و ستارگان داغ دنیا هم سرد بشوند، بازهم برای دیدن روزهای جوانی عالم هیچ راهی پیش رو نداشتیم. به واقع اگر که فرضا آن موقع بودیم، به قوت قوانین فیزیک، زمانی به درازای ابدیت را در گمراهی و در انتظار دیدن این چیز به سر میبردیم.
فیزیکدانان اما خودشان را نمیبازند و نمیگذارند که چنین احتمالات بدیعی، مانع پیشرویشان بشود. همین حالا در سرتاسر این سیاره، هزاران نفر در حال جستجو برای مشاهدهی این نادرترین پدیدهی هستی هستند.
سوال اینست که «اصلا چرا جهان هستی وجود دارد» و برای ردگیری پاسخ فقط یک راه وجود دارد و آن هم جستجو برای مشاهدهی «تجزیه رادیواکتیو» است. تجزیه رادیواکتیو در واقع همان نقشی را در طبیعت ایفا میکند که کیمیاگران قدیم از اکسیر انتظار داشتند. تجزیهی رادیواکتیو میتواند تعداد خاصی از عناصر سنگین را به عناصر سبکتر تبدیل کند منتهی به روش شخصی و سلیقهی مخصوص خودش. بنابراین خروجی این فرآیند گاه عناصری میشود با عمری کوتاهتر از دقیقه و گاه عناصری با عمرهای ابدی. اما این چرخه رادیواکتیوی دقیقا همان چیزیست که امکان وجود داشتن ما (و در واقع همه چیز) را محیا میکند.
به خصوص باید به نوع خاصی از تجزیهی رادیواکتیوی اشاره کرد که «واپاشی بتا» نام دارد و همین واپاشی بتا مسؤول درخشش خورشید عزیزمان است. این معروفترین مدل تجزیه اینطور عمل میکند که در هستهی یک اتم، یک نوترون به یک پروتون تبدیل میشود، ویک الکترون و یک پادنوتروینو (معادل پادمادهی نوترینو) را هم دفع میکند.
اما جدا از واپاشی بتای عادی که هرروزه شاهد وقوعش هستیم، از 1935 فیزیکدانان مطابق با محاسباتشان انتظار هستهی اتم مخصوصی هستند که در آن واحد زیر تاثیر دو واپاشی بتای همزمان تجزیه میشود. چنین واپاشی بتایی اینقدر نادر است، که برای رخ دادنش باید بین 10 به توان 19 تا 10 به توان 24 سال صبر کنیم.
البته نادر بودن یا نبودن این اتفاق، دلیل این همه انتظار دانشمندان نیست. این اتفاق نادر که واپاشی بتای دوگانهی بینوترینو نام دارد، به این صورت رخ میدهد که دو نوترون به دو پروتون و دو الکترون تبدیل میشوند، بدون آنکه هیچ پادنوترینویی حاصل شود. برای رخ دادن چنین اتفاق نادری (که هیچ پادنوترینویی خارج نشود) نیاز به عامل حیرتانگیزی داریم. و آن عامل حیرتانگیز این است که دو پادنوترینوی این واکنش باید به نحوی یکدیگر را خنثی کنند. اما برای چنین خنثیسازیای بین دو ذرهی همسان (در اینجا دو پادنوترینو) این دو ذره در آن واحد هم باید ماده و هم پادماده باشند. اما مساله اینجاست که در قضیهی ذرات بنیادی،چنین چیزی در هیچ ذره دیگری رخ نداده و حتی امکان ظهور هم ندارد. جز البته نوترینوها، که ید طولایی در بهم ریختن پیشبینیها و تئوریهای فیزیکدانان دارند. نوترینوها سالها پیش کشف شدند(1956) و فراوانی شگرفی دارند به طوری که در هر ثانیه میلیونها عدد از آنها از بدن شما عبور میکنند،اما با این وجود، این ذرات همچنان معمای مرموزی هستد، به طوری که دانستن و اثبات عملی این موضوع که “آیا یک نوترینو جرمی دارد” و “اگر دارد به چه مقدار” تا اوایل قرن 21 طول کشید. مسئلهای که آنچنان مهم بود که جایزه نوبل سال قبل (2014) را برای محققینش به ارمغان آورد. با این وجود هنوز مطمئن نیستیم،یا درواقع نمیدانیم که چرا جرم نوترینوها اینقدر کم است یا اصلاْ نمیدانیم چرا مثلا نوترینوها سه نوع سه مزه دارند.
ماده علیه پادماده
در 1937 فیزیکدان ایتالیایی Ettore Majorana پیشبینی کرد که جرم کم نوترینوها ناشی از ویژگی مرموزی ست که به آن توجه نشده بوده. بین ذرات بنیادی، نوترینو تنها ذرهای است که هیچگونه بار الکتریکیای ندارد و در چنین حالتی از نظر تئوریک ممکن است که نوترینو پادمادهی خودش باشد. بدین ترتیب نوترینوی خاصی باید وجود داشته باشد که نوترینوی Majorana نام دارد و تعاریف رایج ماده و پادماده برایش صدق نمیکند. از این منظر، نوترینوها این توانایی را دارند که مقدار مشابهی از ماده و ضدماده را تولید کنند و توازن و تقارن را به ارمغان بیاورند. این پروسه شاید توضیح دهد که چطور تمام مادهها در اثر برخورد با ضدمادهها نابود نشدند و مقدار کمی از ماده، از لحظات آغازین جهان هستی جان سالم به در برد، و در مسیر سفر ابدیاش، ستارگان، سیارات و حتی خود ما را به وجود آورد.
چگونگی وجود داشتن ما، به یقین به جرم نوترینوها و خروجی واپاشی بتای دوگانهی بینوترینو ربط دارد*. مشاهده چنین تجزیهای میتواند چنان دستاورد بزرگی باشد که حتی مشاهدهی ذرهی هیگز بوزان و یا امواج گرانشی را به حاشیه براند. شاید ذرهی هیگز بوزون یک مدل تئوریک قدیمی را اثبات کرده باشد و امواج گرانشی هم بخشی از یک پیشبینی صدساله را محقق کرده باشد، اما مشاهدهی این تجزیه، نشان خواهد داد که بسیاری از تئوریهای جدیدتر و کنونی ناقص هستند، اما افرون بر آن نیز چنین کشفی ادامهی مسیر پیشرو برای درک وجود جهان هستی را روشن میکند.
مشکل اما این است که، در طول بیش از 50 سال جستجو، تنها یک رخداد واپاشی بتای دوگانهی بینوترینو مشاهده شده. این مشاهده، اولبار سال 2001 در آزمایشگاه Gran Sasso ایتالیا گزارش شد. اما شواهد مشاهده برای بسیاری از فیزیکدانان آن زمان متقاعدکننده نبود و نتایج مشاهدهی اول را در گزارششان غیرقابل استناد خواندند. با این وجود همانموقع نظر تمام علاقهمندان به ردگیری تجزیهی رادیواکتیو و نوترینوها جلب شد و نتیجتا نبردی سخت در تلاش برای اثبات یا رد گزارش در گرفت و به انجام فعالیتهای بیشماری در این حوزه منجر گردید. همان تلاشها زمینهساز سه آزمایش مهم در Gran Sasso، New Mexico ، و ژاپن شدند. که در ابتدا نتایج این آزمایشات در دو سال گذشته نظر به رد گزارش اولیه دادند، اما در کنار آن، نحوه محاسبه بازه زمانی تجزیه مورد نظر را تصحیح کرده و به 10 به توان 25 سال افزایش دادند.
اما امید از دست نرفته است. در حاضر حاضر 9 آزمایش جدید یا دوباره به راه افتاده در حال اجرا بوده و به دنبال یافتن چرخه مورد بحث میباشند و ابعاد مورد جستجویشان آنقدری بزرگ است که یافتن نتیجهای قطعی محتمل به نظر میرسد. متد آزمایش در هر ۹ آزمایشگاه یکسان است. متراکم کردن هرچه بیشتر یک ایزوتوپ مشخص در اعماق زمین، جایی به دور از هرگونه بمباران ذرات رادیواکتیوی کیهانی یا زمینی، که به طور کامل محافظت شده باشد. سپس باید صبور بود و به حجم عظیمی از چرخه تجزیه رادیواکتیوی اعتماد کرد تا رویداد شگرف دوگانه رخ دهد.
بیطرف ماندن
با این وجود ماموریت بسیار سختی است. تیمهای تحقیقاتی به دنبال رویدادی چنان نادر هستند که بیش از یک بار در هر تن ایزوتوپ در هر سال رخ نخواهد داد. و تازه مثلا پتاسیم موجود در موز در هر ثانیه پانزده تجزیه رادیواکتیوی انجام میدهد که یعنی افتادن یک موز برای از بین بردن هرگونه نتیجهی قابل قبول برای یک تن ایزوتوپ دفن شده کافیست ، چون که برای صحت نتایج لازم است که واپاشی ایزوتوپ به دور از تمام عوامل خارجی رخ بدهد.
در حال حاضر تنها تعداد محدودی ایزوتوپ موجود است که حساسیت و فراوانی کافی برای شرکت در این آزمایش را دارا هستند. با وجود اینکه هرکدام از این معدود ایزوتوپها شایستگیها و نکات مثبت خودشان را دارند، اما توجهات اصلی در حال حاضر حول ژرمانیوم است. این عنصر آرایش کریستالی دارد که باعث میشود چینش متمرکزی داشته باشد و اندازهگیری دو الکترون مستقل با دقت بسیار بیشتری نسبت به سایر رقبایش صورت گیرد. برای مثال آزمایشگاه GERDA در Gran Sasso در حال استفاده از 40 کیلوگرم ژرمانیوم برای آزمایش است. رقیب اصلیاش آزمایشگاه Majorana در داکوتای جنوبی (ایالات متحده) از 44 کیلوگرم ژرمانیوم (از تابستان گذشته) استفاده میکند.
اما احتمالا این هم کافی نیست. بر اساس خوشبینانهترین پیش بینی ما برای طول عمر تجزیه عنصر مورد استفاده(ژرمانیوم) به حداقل یک تن از این ماده احتیاج داریم تا کوچکترین شانسی برای مشاهدهی تجزیه در کوتاه مدت داشته باشیم. و تازه این مقدار حداکثر چیزیست که در یک آزمایش میتوان به کار بست. البته این کمبودها نتایج خوبی هم داشته. به این دلیل که GERADA و Majorana توافق کردهاند که از سال 2018 اولین آزمایش مشترک در این زمینه در طول تاریخ را با بیش از یک تن ایزوتوپ مناسب و بهینه شده ژرمانیوم شروع کنند. برای به دست آوردن چنین حجمی از ایزتوپ مورد نظر به حداقل 10 تن ژرمانیوم خام احتیاج است که خود برابر با 10 درصد تولید سالانه جهانی ژرمانیوم است. 10 درصدی که در غیر این صورت صرف ساختن چیپها و مدارهای مجتمع سریعتر و بهتر توسط توسعهدهندگان بزرگ سختافزاری خواهد شد. چه شوخی تلخی!
تازه اگر یک واپاشی در یکی از ایزوتوپها رخ دهد، باید توسط جفت دیگری هم تایید شود، ولی در هر صورت مشاهده و اثبات قطعی این تجزیه یک نوبل برای کاشفینش در پی خواهد داشت. اما و اگرهای این آزمایش ادامه دارد. حتی با وجود مشاهده واپاشی بتای دوگانهی بینوترینو باز هم دال بر مسؤول دانستن نوترینوی Majorana در رخداد ابتدای به وجود آمدن جهان نیست. چه اینکه ممکن است دستگاهها و قوانین پیچیدهتری و یا حتی ذرهای ناشناخته مسؤول این فرم از تجزیه رادیواکتیوی باشند.
با وجود اینکه تفاوت قائل شدن و تمیز دادن دستگاههای مختلف و متفاوت دخیل در چنین رویدادی اما،یه این سادگیها نیست آزمایشهای جدیدی برای آسان سازی این فرایند (KATRIN در آلمان و DUNE در آمریکا) در راهند. اگر ثابت شود که واپاشی بتای دوگانهی بینوترینو به دلیل نوترینوی Majorana رخ میدهد، فیزیکدانان تازه می توانند با محاسبه طول عمر پروسه موردنظر دریابند که گزارش اولیه چه مقدار صحت داشته. اما در صورتی که این آزمایش عاری از هر نتیجهی مطلوبی باشد، بازهم دستاورد شگرفی خواهد بود.
چنین مکانیزمی (در در واپاشی بینوترینو) پیشتر توسط برخورددهنده عظیم سرن پیشبینی شده بود. پس کاربرد دیگری که آزمایشهای حول نوترینوی Majorana دارد این است که به احتمال بسیار بالایی پاسخ این سوال که چرا نوترینوها اینقدر سبک هستند را میدهند. بنیادیترین ذرات جرمشان را از میدان هیگز میگیرند که خود وجودش، چندی پیش با کشف ذرهی مرتبطش (هیگز-بوزان) در سال 2012 اثبات شد، گرچه جرم به شدت ناچیز نوترینو باعث میشود که شانس ارتباط نوترینو با میدان هیگز ناچیز باشد.
همین ماجرا باعث شده که گروهی از فیزیکدانان اعتقاد داشته باشند که پروسه جرمساز دیگری در کار است. محبوبترین پروسههای جایگزین نوترینوها، این ایده را مطرح میکنند که نوترینوها در واقع در دو گونه وجود دارند (یا وجود داشتند). گونهی سبکتر که در همه جا وجود دارد و میلیونها و میلیاردها ذره از این نوع از بدن هر کداممان در حال عبور است؛ و گونهی سنگینتر که جرمی فراتر از هر ذره بنیادی دیگر دارد. این تعریف دو نوترینو را در مدل الاکلنگیای قرار میدهد که در یک طرف نوترینوی سنگین قرارد دارد که مسؤول کم وزن بودن شریک دوقلوی سبکش است. نوترینوهای سنگین در اولین لحظات شکلگیری هستی نابود شدهاند و جرمشان هم بسیار بیش از آن است که توسط هر آزمایشی که بشر امروزی قادر به انجامش است قابل بازسازی باشند،که نتیجتا باعث به جا ماندن نوترینوهای سبک در گیتی شده است. اما چنین احتمالی بازهم در چارچوب نوترینوی Majorana امکان پذیر است. به هر رو، مجموعه این ازمایشات ما را چند قدم به درک بهتر هر دو مسئلهی امروز فیزیک یعنی میدان هیگز و نوترینوها نزدیکتر میکند که خود جهشی بزرگ در درک چگونگی به وجود آمدن امکان وجود داشتن هستی میباشد.بله آزمایشی برد برد، که حتی اگر نوترینوی Majorana ربطی به واپاشی بتای دوگانهی بی نوترینو نداشته باشد،همچنان تحقیقات پیرامون این نوترینو در حوزههای دیگر به کار آمده و جوابگو خواهد بود. و این ذرهی ناچیزِ نه چندان ناچیز، دربردارندهی کلید درک برخی از بزرگترین سوالات فیزیک است. بیایید امیدوارم باشیم که صبرمان تا انتهای هستی به طول نکشد.
منتظر 2018 باشیم، درک ما از هستی در شرف تغییر است
اصل مطلب از نیوساینتیست 13 فوریه 2016
-
درود
مطلب فوق العاده ای بود . اگر از این دست مطالب بیشتر کار بشه عالی میشه.
سپاس فراوان.