مرز نوترینوها: چگونه ذرات ریز می‌تواند به پرسش‌های بزرگ درباره کیهان پاسخ دهد
نوترینوها، ذرات مبهمی که به ندرت با ماده تعامل دارند، برای دهه‌ها فیزیک‌دانان را مجذوب خود کرده‌اند. این ذرات اسرارآمیز کلید فهم برخی از عمیق‌ترین رمز و رازهای جهان، از جمله منشأ پرتوهای کیهانی و عدم تعادل ماده و پادماده هستند.
پیشرفتهای اخیر در تحقیقات نوترینو در دهه گذشته ایده‌های نظری را به کشفیات انقلابی تبدیل کرده، و پروژه‌های پیشرفتهای مانند IceCube-Gen2، Hyper-Kamiokande (Hyper-K) و Fermilab پیشگام این حوزه هستند.
در سال ۲۰۱۵، جایزه نوبل فیزیک به تاکاکی کاجیتا و آرتور بی. مک‌دونالد برای کشف اینکه نوترینوها جرم دارند، اهدا شد، که به طور بنیادین درک ما از ماده را تغییر داد.
فیزیک‌دان ژاپنی تاکاکی کاجیتا به Interesting Engineering می‌گوید که در تحقیق در مورد نوترینوها پیشرفت مداومی وجود داشته است. هنگام بحث درباره نقش فیزیک در پرداختن به چالش‌های جهانی، او اشاره می‌کند که فیزیک‌دانان به طور قابل توجهی در تحقیق اوایل درباره تغییرات اقلیمی مشارکت داشتند، همان‌طور که توسط جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۱ برجسته شد. کاجیتا توضیح می‌دهد که نقش کلیدی فیزیک‌دانان این است که راه‌های پاسخ به سوالات بسیار دشوار را با استفاده از فیزیک بیابند.
واقعیت این است که ۲۵ سال طول کشید تا نوترینو در آزمایشگاه مشاهده شود، همچنین نشان می‌دهد که برخورد با نوترینوها چقدر دشوار است.
علیرغم پیشرفتهای قابل توجه، سوالات مهمی همچنان باقی مانده‌اند. پروفسور اریک بی. نورمن از UC Berkeley توضیح می‌دهد: "مقیاس جرم مطلق نوترینو چیست؟ آیا نوترینوها پادذرات خودشان هستند؟ و چگونه با عدم تعادل ماده و پادماده در جهان مرتبط هستند؟" این پرسش‌ها باعث پیشرفت تحقیقات بیشتر در مورد ماهیت بنیادی نوترینوها می‌شود.
نقشه برداری از راه شیری از طریق چشم نوترینوها
رصدخانه نوترینوی IceCube که در عمق یخ‌های آنتارکتیک قرار دارد، بزرگترین آشکارساز ذرات در جهان است. این ۵۰۰۰ سنسور نوری نور گذرا چرنکوف را که هنگام تعامل نوترینوها با یخ منتشر می‌شود، ثبت می‌کنند. در سال ۲۰۲۳، دانشمندان IceCube وجود نوترینوهای با انرژی بالا را که از راه شیری منشا می‌گیرند تایید کردند، که دوره جدیدی در اخترشناسی پیام‌رسان چندگانه را نشان می‌دهد.
"این نوترینوها در سراسر کهکشان، از طریق سیستم خورشیدی، و از زمین عبور می‌کنند قبل از اینکه توسط IceCube شناسایی شوند،" دکتر لو لو، استاد فیزیک در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون، به IE گفت.
برای اولین بار، سال گذشته، دانشمندان وجود نوترینوهای با انرژی بالا را در راه شیری تایید کردند. یعنی ما می‌توانیم راه شیری را نقشه‌برداری کنیم از طریق "چشم‌های نوترینوها.
پروفسور لو گفت که "نقشه نوترینو" کهکشان ما دوره جدیدی در اخترشناسی پیام‌رسان چندگانه را با ترکیب شناخت‌هایی از نوترینوها، فوتون‌ها (نور)، و امواج گرانشی نشانداد.
چون نوترینوها می‌توانند از دورترین نقاط جهان و حتی از آغاز آن سفر کنند، ردیابی آن‌ها به منابعشان چالش مهمی است، به ویژه به خاطر داده‌های شناسایی محدود. او تصریح می‌کند که پیشرفت در این حوزه نیاز به توسعه آشکارسازهای بسیار بزرگتری خواهد داشت.
IceCube-Gen2 و Hyper-Kamiokanda
"ما در حال حاضر در مرحله تحقیق و توسعه برای توسعه و بهبود طراحی Gen2 هستیم. اکنون زمان هیجان‌انگیزی است برای تماشای تحقق مطالعات کیهانی مبتنی بر ذرات و مشارکت در توسعه فن‌آوری‌های جدید برای نسل‌های آینده شکارچیان نوترینو،" می‌گوید پروفسور لو.
IceCube-Gen2 قصد دارد تحقیق نوترینوها را متحول کند با امکان شناسایی دقیق منابع و انرژی‌های نوترینوهای کیهانی توسط دانشمندان. طبق نظر پروفسور لو، این تاسیسات نسل بعدی در قطب جنوب شامل سنسورهایی بسیار حساس‌تر خواهد بود، که چهار برابر کارایی شناسایی نسل قبلی خود را ارائه می‌دهد.
در همین حال، در ژاپن، پروژه Hyper-Kamiokande (Hyper-K) قدمی بزرگ به جلو است. این آشکارساز استوانه‌ای عظیم، با ارتفاع ۷۲ متر و قطر ۶۸ متر، برای مطالعه تفاوت‌های بین ذرات و پادذرات با مشاهده نوسانات نوترینو و آنتی‌نوترینو طراحی شده است. محققان امیدوارند که همچنین برخی از رمز و رازهای فضا را کشف کند که در سال ۲۰۲۷ شروع به کار می‌کند و به طور بالقوه فصلی جدید در حوزه فیزیک باز کند.
کاجیتا ابراز امیدواری می‌کند در مورد پتانسیل‌های Hyper-Kamiokande، به ویژه در آزمون مفهوم نقض CP - تفاوت‌های ظریف در رفتار ماده و پادماده تحت تغییرات خاص. Hyper-Kamiokande حساس‌ترین آزمایش برای تجزیه پروتون است و امیدواریم که شواهدی برای اتحاد تقنینی بزرگ ارائه دهد. چنین کشفیاتی، کاجیتا می‌افزاید، می‌تواند نقش مهمی در پیشبرد درک ما از فیزیک ذرات و نیروهای بنیادی جهان ایفا کند.
توسعه آشکارساز نوترینوی آرگون مایع در Fermilab
در سپتامبر سال جاری، محققان در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده فرمی اولین تعاملات را با استفاده از آشکارساز نوترینوی خود مشاهده کردند.
در اوایل سال ۲۰۲۳، آن‌ها همچنین شواهد دیگری را کشف کردند که نشان می‌دهد میوئن‌ها - ذرات زیراتمی که کوچکتر از اتم‌ها هستند - بسیار بیشتر از آنچه انتظار می‌رفت نوسان می‌کنند. میوئن‌ها، که عمر کوتاهی دارند، به سرعت به الکترون‌ها و نوترینوها تجزیه می‌شوند. آن‌ها همچنین دارای ویژگی‌ای به نام اسپین هستند که باعث می‌شود مانند آهنرباهای کوچک رفتار کنند، که هنگام قرارگیری در معرض میدان مغناطیسی تابیده و چرخ می‌زنند. محققان پیش‌بینی می‌کنند که نتایج دقیق‌تری از آزمایشات آن‌ها تا سال ۲۰۲۵ در دسترس باشد.
استفن پارک، از بخش نظریه‌های Fermilab، پیشرفتهای قابل توجهی که با آشکارساز نوترینوی آرگون مایع به دست آمده است را برجسته می‌کند. او توضیح می‌دهد که این آشکارسازها جزئیات فوق‌العاده‌ای در ضبط تعاملات نوترینو ارائه می‌دهند، که از قابلیت‌های روش‌های شناسایی دیگر فراتر می‌رود.
هنگام تعامل نوترینوها با آرگون مایع، ذرات بارداری تولید می‌کنند که توسط اجزای الکترونیکی شناسایی می‌شوند، که سپس سیگنال‌ها را برای تجزیه و تحلیل به یک کامپیوتر منتقل می‌کنند.
با این حال، حفظ خلوص آرگون مایع برای شناسایی دقیق حیاتی است. اخیراً، یک تیم پژوهشی میان رشته‌ای یک رسانه فیلتراسیون که قادر به حذف آلودگی نیتروژن از آرگون مایع است، شناسایی کردند. جالب اینکه، این فیلتر ماده‌ای است که در حال حاضر به طور گسترده در کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود.
پتانسیل گسترده تحقیقات نوترینو
دنیل دی. استانسیل، پروفسور متمایز Alcoa و مدیر اجرایی هاب کوانتومی آی‌بی‌ام در دانشگاه ایالتی ان‌سی، بیان می‌کند که پروژه Hyper-Kamiokande به دنبال پاسخ به سوالاتی است که می‌تواند به طور قابل توجهی فهم ما از منشأ و تکامل جهان را افزایش دهد.
"گرچه من انتظار ندارم که دانش جدید فیزیکی کاربردهای فوری برای چالش‌های جهانی داشته باشد، اما پیش‌بینی اینکه در نهایت چه کاربردهای عملی‌ای ممکن است این دانش جدید امکان‌پذیر کند بسیار دشوار است - مخصوصاً اگر دهه‌ها به آینده نگریسته شود،" می‌گوید استانسیل.
او اشاره کرد که وقتی مکانیک کوانتومی اولین بار حدود یک قرن پیش مورد بررسی قرار می‌گرفت، هیچ‌کس نمی‌توانست کاربردهای نهایی آن، مانند چیپ‌های میکروالکترونیکی که هوش مصنوعی را قدرت می‌دهند یا لیزرهایی که ارتباط اینترنتی جهانی را ممکن می‌سازند، را پیش‌بینی کند. او یک کاربرد بالقوه قوی برای فناوری نوترینو در ارتباطات زیر دریایی می‌بیند، با استفاده از آب‌های عظیم اطراف به عنوان یک واسط شناسایی.
در حالی که تحقیقات نوترینو فن‌آوری‌های نوآورانه را پیش می‌برد، همچنین به چالش‌های پیچیده‌ای مانند نظارت از راه دور بر راکتورهای هسته‌ای و توسعه دستگاه‌های ارتباطی پیشرفته می‌پردازد. پروفسور اریک بی. نورمن می‌گوید که یکی از زمینه‌های امیدوارکننده استفاده از شناسایی نوترینو برای نظارت از راه دور بر راکتورهای هسته‌ای و شناسایی علائم تخصیص مواد شکافت‌پذیر برای تولید سلاح‌های هسته‌ای غیرقانونی است.
استفن پارک این نکته را گسترش می‌دهد که مقیاس تعاملات نوترینوها به قدری زیاد است که میلیاردها ذره در هر ثانیه از بدن ما عبور می‌کند، و نیازمند است تا محققان خلاقانه فکر کنند. "شاید یک دستگاه ارتباطی مبتنی بر نوترینو بتواند سیگنال‌ها را از طریق زمین یا حتی در سراسر کهکشان منتقل کند،" پارک پیشنهاد می‌دهد. "امکان دیگری روش‌های پیشرفته برای نظارت از راه دور بر راکتورهای هسته‌ای است. امکانات بسیار زیادی وجود دارد،" او نتیجه‌گیری می‌کند.
