chemist.blogfa

از ميان تمامي ذرات و موادي كه عالم را تشكيل مي‌دهند، نوترينو عمومي‌ترين و در عين حال عجيب‌ترين ماده به شمار مي‌آيد. اين ذرات مي‌توانند از درون زمين با سرعتي حركت كنند كه براي درك بهتر مي‌توان آن را با حركت برق‌آساي گلوله از ميان توده‌اي مه مقايسه كرد. اين ذرات آنقدر مرموز هستند كه حتي پس از گذشت نيم قرن از كشف آنها اطلاعات بسيار اندكي درباره آنها به دست آورده‌ايم و از اين رو مي‌توان گفت عملا چيزي درباره آنها نمي‌دانيم! خورشيد تنها در عرض چند ثانيه ميزاني نوترينو توليد و منتشر مي‌كند كه همين ميزان از تمام دانه‌هاي شن سواحل و بيابان‌هاي زمين بيشتر است. اين ميزان نوترينو كه در همين چند ثانيه توليد مي‌شود از تمامي اتم‌هاي موجود در بدن تمامي انسان‌هايي كه تاكنون زندگي روي زمين را تجربه كرده‌اند، بيشتر است. اگر اين امكان براي ما وجود داشت كه با چشم‌هاي نوترينويي محيط اطراف را مشاهده كنيم، شب‌ها از نظر روشنايي و درخشندگي دست كمي از روزهاي درخشان و آفتابي نداشتند. البته تنها اين خورشيد نيست كه در عالم نوترينو پخش مي‌كند. هر يك از ستارگاني كه با چشمان غيرمسلح قابل ديدن باشند و شمار بي‌پاياني از ستارگاني كه تنها با استفاده از تلسكوپ‌هاي قدرتمند مي‌توان آنها را ديد، همواره در حال پر كردن عالم از نوترينو هستند.

نوترينوها آنقدر كوچك هستند كه بي‌سروصدا از درون هر ماده‌اي عبور كرده بي‌آن كه برخوردي با اتم‌ها و مولكول‌هاي سازنده آنها داشته باشند. دقيقا به همين خاطر است كه به نوترينوها عنوان ذرات اشباح را داده‌اند! در هر ثانيه تريليون‌ها ذرات اشباح از بدن ما عبور مي‌كنند. به خاطر همين ويژگي‌هاي عجيب و شبح گونه است كه دانشمندان و بخصوص فيزيكدانان علاقه زيادي به بررسي آنها دارند. اين ذرات مي‌توانند از اعماق عالم براحتي عبور كنند بدون آن كه هيچ مانعي در سر راه آنها وجود داشته باشد، اما چرا فيزيكدانان تا اين حد به اين ذرات علاقه‌مند هستند؟ پاسخ را مي‌توان در چند جمله عقب‌تر پيدا كرد. اين ذرات از دل عالم بيرون مي‌آيند و از اين رو مملو از اطلاعات ارزشمندي درباره پيدايش عالم و زواياي پنهان آن هستند. اين همان موضوعي است كه دانشمندان و بويژه فيزيكدانان قرن‌هاست در حال بررسي آن هستند و در اين رهگذر به هر نكته و سرنخي كه گوشه‌اي از پاسخ اين پرسش بزرگ را ارائه كند، توجه مي‌كنند.

البته ويژگي‌هاي خاص اين ذرات در نوع خود مشكلات و چالش‌هايي را نيز به همراه دارد. اكنون اين پرسش مطرح مي‌شود كه چگونه مي‌توان ذراتي را مورد بررسي و رديابي قرار داد كه هيچ گاه متوقف نمي‌شوند و عملا نمي‌توان سرعت آنها را در ذهن متصور شد؟ چگونه مي‌توان ذراتي را مورد ارزيابي قرار داد كه هيچ ماده‌اي نمي‌تواند سد راه عبور آنها شود؟ پيدا كردن پاسخي براي اين پرسش‌ها خود به شكل‌گيري شاخه‌هايي در علوم بشري شده است به طوري كه در سال‌هاي اخير دانشمندان زيادي درصدد ارائه راه‌حل‌هاي كاربردي در اين زمينه بوده‌اند. تازه‌ترين راهكاري كه در اين خصوص ارائه شده، مفهومي موسوم به Ice Cube بوده است. اين پروژه آزمايشي در ايستگاه تحقيقاتي آموندسن ـ اسكات قطب جنوب، يعني جنوبي‌ترين نقطه زمين آغاز شده است. البته اين ايستگاه در منطقه بسيار سختي از نظر آب و هوا ساخته شده و لذا راه‌اندازي اين پروژه در نوع خود كار بسيار دشواري بوده است. در اين نقطه از جهان دماي هوا در بالاترين دما به منهاي 13 درجه سانتي‌گراد مي‌رسد. با اين حال اين دما را نمي‌توان ويژگي چندان بارزي براي اين نقطه از جهان دانست بلكه اين روزها پروژه Ice Cube به عنوان سمبلي براي قطب جنوب در نظر گرفته مي‌شود. در اينجا مي‌توان نگاه عمقي‌تري به كهكشان‌ها و فضاي بيكران داشت. دانشمنداني كه در اين پروژه آزمايشگاهي حضور دارند، هسته كهكشان راه شيري را به دقت مورد بررسي قرار مي‌دهند و اين دقيقا همان جايي است كه تاكنون بشر امكان مشاهده آن را نداشته است. به هر حال مي‌توان گفت در اين نقطه از جهان شكل جديدي از علم موسوم به اخترشناسي نوترينويي، حيات يافته است.

همه چيز به سال1930 بازمي‌گردد. زماني كه فيزيكدان اتريشي به نام وولفگانگ پائولي از نتايج مطالعاتي خبر داد كه نشان مي‌دادند پرتوهاي هسته‌اي شامل ذرات الكتريكي خنثي هستند كه به احتمال فراوان جرمي ندارند. اين ذرات نوترينو نام گرفتند كه در زبان ايتاليايي به معناي خنثي كوچك است. پائولي به سرعت متوجه شد كه شانس رديابي يك ذره نوترينو بسيار ناچيز است و حتي همان زمان نيز با صراحت مدعي شد هيچ كس هم نخواهد توانست اين ذرات را به دام بيندازد. امروزه شانس بسيار ناچيزي كه وي مطرح كرده بود همچنان پابرجاست، اما با اين تفاوت كه ميزان اين شانس بيشتر از گذشته شده است. نكته مهم اين كه زماني كه پاي چهره‌هاي متعدد علمي به اين مقوله باز مي‌شود، شانس به دام انداختن اين ذرات نيز به نوبه خود بيشتر مي‌شود. اين يك حقيقت پذيرفته شده علمي است كه نوترينوها از هر ماده‌اي كه بر سرشان باشد در كمترين زمان ممكن عبور مي‌كنند بدون آن كه سدي در برابرشان توانايي ايستادگي داشته باشد، اما اين هم منطقي است كه بپذيريم اگر در نزديكي يكي از منابع توليدكننده اين ذرات باشيم، به عنوان مثال منبعي كه در هر ثانيه ميلياردها ذره نوترينو توليد مي‌كند، اين شانس را داريم كه حداقل يك يا دو ذره از اين ذرات را شكار كنيم. اين خبري هيجان‌انگيز و البته خوشحال‌كننده براي دانشمندان و بخصوص فيزيكدانان است.

سال 1951 دو فيزيكدان آمريكايي به نام‌هاي كلايد كاون و فرد رينس از يك رآكتور اتمي براي توليد انبوهي از نوترينوها استفاده كردند. اين دستگاه در هر ثانيه 10 تريليون ذره نوترينو به ازاي هر سانتي‌متر مربع توليد مي‌كرد. آنها عنوان هيجان‌انگيز پروژه شبح را بر آزمايشات خود گذاشتند. علت آن نامگذاري به طبيعت بسيار خاص اين ذرات باز مي‌گشت كه نه‌تنها ديده نمي‌شدند بلكه مي‌توانستند از هر ماده‌اي عبور كنند. در تابستان 1956 و در رآكتور ريور ساوانا در جنوب شرق آمريكا روياي دانشمنداني كه سال‌ها به دنبال شكار حتي يك ذره نوترينو بودند به واقعيت تبديل شد. در آن سال و در آن مركز نخستين نوترينو شكار شد. كاون و رينس خوشحال از اين دستاورد تاريخي براي وولفگانگ پائولي كه در سال 1930 و براي نخستين بار وجود ذرات نوترينو را ثابت كرده بود، پيغامي فرستادند و در آن نوشتند كه بايد شانس بيشتري براي شكار اين ذره در نظر مي‌گرفته است. شكار اين ذره در حالي صورت مي‌گرفت كه دنيا وارد عصر اكتشافات فضايي شده بود. افسانه آپولوها در آسمان و شكار ناشناخته‌ترين ذره موجود در عالم روي زمين سراسر جهان را مملو از هيجانات مربوط به كشفيات و دستاوردهاي علمي كرده بود.

اما اكنون اين پرسش مطرح مي‌شود كه اين فيزيكدانان براي شكار اين ذره نوترينو چه اقدامي انجام داده بودند كه تا پيش از آن هيچ دانشمند ديگري موفق به انجام آن كار نشده بود. آنچه آنها انجام داده بودند شامل قرار دادن دو تانك بزرگ مملو از آب در اعماق زمين بود. اين دو تانك در فاصله 11 متري از رآكتور قرار داشتند. زماني كه يك ذره نوترينو به يكي از الكترون‌هاي موجود در آب برخورد مي‌كند دقيقا همان حالتي روي مي‌دهد كه در برخورد توپ بيليارد با توپ‌هاي ثابت روي ميز ديده مي‌شود. بر اثر اين برخورد فلش نوري ايجاد شد كه با استفاده از دستگاه‌هاي الكترونيكي مخصوصي كه در اطراف مخزن قرار داشت، ثبت شد. قرار گرفتن مخازن در چنين عمقي از زمين به اين خاطر صورت گرفت كه آنها را از پرتوهاي كيهاني مصون نگاه دارند. اين پرتوها در حقيقت ذرات انرژيكي هستند كه از فضاهاي دور به زمين رسيده و مي‌توانند نتايج آزمايش‌هايي از اين دست را دستخوش تغييرات زيادي كنند. با استفاده از اين ردياب به ظاهر ساده، دانشمندان براي نخستين بار توانستند اطلاعاتي هرچند مختصر درباره نوترينوها به دست آوردند. اين اطلاعات شامل انرژي اين ذرات و همچنين محل پيدايش آنها مي‌شد. آنچه اين دانشمندان انجام داده بودند در حقيقت طراحي و ساخت نوعي تلسكوپ نوترينويي بود كه از آن به عنوان پنجره‌اي تازه به سوي عالم ياد مي‌شود.

در 23 فوريه 1987 ابرنواختر عظيمي در يكي از كهكشان‌هاي راه شيري فوران كرد. اخترشناساني كه آن موقع اين حادثه تاريخي را مورد بررسي قرار مي‌دادند، اين پرسش را نيز مطرح مي‌كردند كه از بابت اين فوران عظيم تا چه ميزان نوترينو توليد و روانه زمين شده است؟ دانشمندان تخمين زدند در عرض تنها 15 ثانيه حجم عظيمي از اين ذرات روانه زمين شده است. دانشمنداني كه در تاسيسات زيرزميني پيشرفته آمريكا و ژاپن اين رويداد را زير نظر داشتند از رديابي اين حجم عظيم در زمين خبر دادند.

اكنون فيزيك اخترشناسان به اين نتيجه رسيده بودند كه سقوط جاذبه‌اي يك ابرنواختر مي‌تواند منبع عظيمي از توليد نوترينوها باشد. در اين ميان بايد به نكته‌اي ظريف توجه كرد و آن اين‌كه نور فلش مانندي كه از بابت سقوط جاذبه‌اي يك ابرنواختر ديده مي‌شود، تنها بخش بسيار كوچكي از رويداد عظيم كيهاني است كه در آن نقطه از عالم روي داده است. دانشمندان با محاسبه شمار نوترينوهايي كه در آن روز تاريخي رديابي كردند و همچنين اطلاعاتي كه درخصوص فاصله آن ابرنواختر از زمين داشتند، توانستند محاسباتي درخصوص ويژگي‌هاي مربوط به اين ذرات و از جمله ميزان انرژي نهفته در آنها انجام دهند. اين محاسبات نشان داد كه نظريه ابرنواخترهاي صحيح بوده است، يعني زماني كه ستارگان در خود فرو مي‌ريزند حجم عظيمي از ذرات نوترينو را از خود رها مي‌كنند. اين عدد بسيار بزرگ است يعني 10 به توان 59 يا به عبارتي ديگر عدد يك و 9 صفر كه در مقابل آن قرار مي‌گيرد. اگر بخواهيم اين عدد را بخوانيم بايد بگوييم: 100 ميليارد تريليون تريليون تريليون تريليون نوترينو! بديهي است كه تصور كنيم اين حجم عظيم از ذرات نوترينو ميزان انرژي عظيمي نيز در خود نهفته دارند. پس از انجام اين محاسبات تاريخي بود كه فيزيك اخترشناسان بر آن شدند تا نگاه دقيق‌تري روي ابرنواخترها داشته باشند.

اما در حالي كه مخازن آبي قرار گرفته در عمق زمين ابتكار عمل خوب و موثري براي شكار نوترينوها به شمار مي‌آيد، بايد براي شكار دسته‌هاي بزرگ‌تر، تور وسيع‌تري نيز پهن كرد. در اينجا صحبت از نوترينوهايي است كه از فواصل بسيار دور كيهاني به زمين مي‌رسند. بزرگ‌ترين تور شكار نوترينويي كه تاكنون ساخته شده همان Ice Cube راه‌اندازي شده در قطب جنوب است. اين پروژه بزرگ فاصله چنداني تا تكميل شدن ندارد. البته در اينجا براي اين‌كه نوترينوها را به دام بيندازند نه از آب بلكه از يخ استفاده مي‌كنند. البته بديهي است كه استفاده از يخ در قطب جنوب همانقدر ساده است كه خواستن از دانشمندان براي توليد يخ و نگاه داشتن آن در دماي مورد نظر براي مدت طولاني و آن هم در حجم بالا در خانه كاري دشوار است. دقيقا به همين خاطر بوده است كه اين پروژه بزرگ در قطب جنوب آغاز شده است. قرن‌هاي طولاني است كه در قطب جنوب برف مي‌بارد. اين حجم عظيم برف در لايه‌هاي زيرين يخي اين منطقه فشار خيره‌كننده‌اي توليد كرده است كه در زير آن تمامي حباب‌هاي هوا، له شده‌اند. دانشمندان از صدها حسگر در عمق يخ‌هاي به كار گرفته شده در پروژه Ice Cube استفاده مي‌كنند. اكنون كه اين گزارش را مي‌خوانيد تنها چند روز از قرار گرفتن آخرين سري اين حسگرها در دل يخ‌هاي مورد نظر گذشته است. در دنياي فيزيك اتفاقات بسيار خاصي نيز روي مي‌دهد كه يكي از آنها در اين پروژه ديده مي‌شود. برخورد نوترينوها به يك اتم يخ موجب توليد ذره ديگري به نام muon مي‌شود. اين ذرات نور آبي توليد مي‌كنند كه به وسيله حسگرهاي نوري ثبت مي‌شوند و از آنجا كه يخ كاملا شفاف و خالص است، پرتوهاي نور آبي مي‌توانند بي‌آن كه افت رنگ پيدا كنند تا صدها متر در دل يخ نفوذ كنند.

مشكلي كه در اينجا وجود دارد و درخصوص نوترينوهايي كه از رويدادهاي بسيار دور دست كيهاني توليد و روانه زمين مي‌شوند نيز ديده مي‌شود، اين است كه muon‌ها زماني توليد مي‌شوند كه پرتوهاي كيهاني با اتم‌هاي اتمسفريك زمين برخورد مي‌كنند، اما ازآنجاكه نوترينوها تنها ذرات شناخته شده‌اي هستند كه مي‌توانند از زمين نيز عبور كنند، پروژه Ice Cube مي‌تواند از زمين به عنوان فيلتر استفاده كند.

دانشمندان دريافته‌اند شدت نوترينوهايي كه از ساير ستارگان توليد مي‌شود در مقايسه با نوترينوهايي كه از خورشيد توليد و روانه زمين مي‌شوند همچون شب پرستاره در برابر روز است. شكار نوترينوهايي كه از خورشيد به زمين مي‌رسند كار بسيار دشواري است چه برسد به نوترينوهايي كه از عمق كيهان راهي زمين مي‌شوند. براي اين دسته اخير به تورهاي بزرگ شكار نياز است و پروژه Ice Cube همان تور بزرگ مورد نظر دانشمندان است. پروژه Ice Cube به ما كمك خواهد كرد تا چيزهايي را در عالم ببينيم كه در روز روشن قابل رويت نيستند. همچنين اطلاعات ارزشمندي درخصوص امواج الكترومغناطيسي در اختيار ما قرار مي‌دهد. پس از همين حالا پرسش‌هايي را كه دانشمندان به دنبال دستيابي به پاسخ آنها درخصوص دنياي نوترينوها هستند بايد با استفاده از نتايج تحقيقات صورت گرفته در پروژه Ice Cube حل شده تصور كرد، اما فقط يك اماي كوچك دارد؛ تا يك دهه ديگر بايد صبر كرد.

منبع: Focus Magazine