چشم‌های قطب جنوب به دنبال ذرات بنیادی

ین«چشم‌ها» مجموعه‌ای از آشکارسازهای ذرات هستند که در یک کیلومتر مکعب یخ به نام رصدخانه «نوترینو آیس‌کیوب» (IceCube Neutrino) دفن شده‌اند. تیمی از فیزیکدانان نظری دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس (UCLA)، دانشگاه اوساکا و موسسه فیزیک و ریاضیات جهان کاولی دانشگاه توکیو با استفاده از مشاهدات خود از مسیه ۷۷، مسیری کاملا جدید برای تولید نوترینوها پیشنهاد می‌دهند.نوترینوها ذرات زیراتمی هستند که تنها با گرانش بسیار ضعیف، برهمکنش می‌کنند و می‌توانند از ماده عبور کنند. این امر تشخیص آنها را حتی از سایر ذرات مانند الکترون‌ها نیز دشوارتر می‌کند. میلیاردها نوترینو هر ثانیه از زمین و بدن ما عبور می‌کنند بدون این‌که متوجه شویم. رصدخانه نوترینو آیس‌کیوب از ۵۱۶۰ حسگر تشکیل شده است که در یخ‌های شفاف و فشرده قطب جنوب مدفون شده‌اند و به دنبال رویدادهایی می‌گردند که می‌توانند هنگام عبور از یخ، برهمکنش با آن و ایجاد ذرات باردار، توسط نوترینوها تولید شوند.
الکساندر کوزنکو، استاد فیزیک و نجوم در UCLA و عضو ارشد موسسه کاولی، گفت: «ما تلسکوپ‌هایی داریم که از نور برای مشاهده ستاره‌ها استفاده می‌کنند، اما بسیاری از این سیستم‌های اخترفیزیکی، نوترینو نیز ساطع می‌کنند. برای دیدن نوترینوها، به نوع متفاوتی از تلسکوپ نیاز داریم و این همان تلسکوپی است که ما در قطب جنوب داریم.»
   
چالش‌ها
داده‌های مسیه ۷۷گیج‌کننده است؛چراکه عموما تصور می‌شود نوترینوهای پرانرژی از مراکزکهکشانی فعال،از برهمکنش‌های بین پروتون‌ها و فوتون‌ها سرچشمه می‌گیرند و پرتوهای گامایی با شدت قابل مقایسه تولید می‌کنند. بنابراین نوترینوهای پرانرژی، معمولا با پرتوهای گامای پرانرژی جفت می‌شوند.
در مقاله‌ای که درPhysical Review Lettersمنتشر شده است، کوزنکو وهمکارانش اظهار می‌کنند که نوترینوهای پرانرژی از مسیه ۷۷ در درجه اول ناشی از واپاشی نوترون‌ها هستند، زمانی که هسته‌های هلیوم در جت کهکشان تحت تابش شدید فرابنفش، از هم می‌پاشند. وقتی این هسته‌های هلیوم با فوتون‌های فرابنفش ساطع‌شده از ناحیه مرکزی کهکشان برخورد می‌کنند، تکه‌تکه می‌شوند و نوترون‌هایی آزاد می‌کنند که متعاقبا به نوترینوها واپاشی (فرآیند خودبه‌خودی تبدیل یک ذره بنیادی به ذره دیگر) می‌شوند. انرژی نوترینوهای به‌دست‌آمده با مشاهدات مطابقت دارد.
علاوه بر این، الکترون‌های تولید شده توسط این واپاشی‌های هسته‌ای با میدان‌های تابشی اطراف برهمکنش می‌کنند و پرتوهای گامایی ایجاد می‌کنند که با شدت پایین‌تر مشاهده شده سازگار است. این سناریو به زیبایی توضیح می‌دهد که چرا سیگنال نوترینو به طرز چشمگیری از تابش پرتو گاما پیشی می‌گیرد و طیف انرژی متمایز مشاهده شده در نوترینوها و پرتوهای گاما را توجیه می‌کند.
   
یافته‌ها
این موفقیت به دانشمندان کمک می‌کند تا بفهمندکه چگونه جت‌های کیهانی درکهکشان‌های فعال می‌توانندنوترینوهای قدرتمندی را بدون تابش پرتو گامای مربوطه منتشر کنند و نور جدیدی بر شرایط پیچیده و شدید اطراف سیاهچاله‌های ابرپرجرم، از جمله سیاهچاله موجود در مرکز کهکشان خودمان، بتابانند.
مقاله جدید پیشنهاد می‌کند که اگر یک هسته هلیوم در جت یک سیاه‌چاله ابرپرجرم شتاب بگیرد، به فوتون‌ها برخورد کرده و از هم می‌پاشد و دو پروتون و دو نوترون خود را در فضا پخش می‌کند. پروتون‌ها می‌توانند به پرواز درآیند، اما نوترون‌ها ناپایدار هستند و بدون تولید پرتوهای گاما، از هم می‌پاشند یا به نوترینوها تبدیل می‌شوند. کوئیچیرو یاسودا، نویسنده‌ اول مقاله و دانشجوی دکترای دانشگاه UCLA، گفت:«هیدروژن و هلیوم دوعنصر رایج در فضا هستند. اما هیدروژن فقط یک پروتون دارد و اگر آن پروتون با فوتون‌ها برخورد کند، هم نوترینو و هم پرتوهای گامای قوی تولید می‌کند. اما نوترون‌ها روش دیگری برای تشکیل نوترینوها دارند که پرتوهای گاما تولید نمی‌کنند. بنابراین هلیوم محتمل‌ترین منشا نوترینوهایی است که ما از مسیه ۷۷ مشاهده می‌کنیم.»
این مطالعه، وجود منابع پنهان نوترینوی اخترفیزیکی را آشکار می‌کند که سیگنال‌های آنها ممکن است پیش‌تر به دلیل نشانه‌های ضعیف پرتو گاما، مورد توجه قرار نگرفته‌باشند.

اهمیت مطالعات ذرات بنیادی
کهکشان ما نیز مانند مسیه ۷۷ یک سیاهچاله ابرپرجرم در مرکز خود دارد، جایی که گرانش و انرژی غیرقابل تصوری اتم‌ها را از هم می‌پاشد و کشف نوترینو در مورد کهکشان ما نیز صادق است. اگرچه لزوما یک خط مستقیم از درک مرکز کهکشانی تا بهبود رفاه بشر وجود ندارد، دانش به دست آمده از طریق مطالعه ذراتی مانند نوترینوها و تابش‌هایی مانند پرتوهای گاما، تمایل دارد فناوری را به مسیرهای شگفت‌انگیز و دگرگون‌کننده هدایت کند.
کوزنکو گفت: «وقتی جی. جی. تامپسون جایزه نوبل فیزیک ۱۹۰۶ را برای کشف الکترون‌ها دریافت کرد، پس از مراسم گفت که این احتمالا بی‌فایده‌ترین کشف تاریخ بوده است. اما هر تلفن هوشمند و هر دستگاه الکترونیکی امروزی، از کشفی که تامپسون تقریبا ۱۲۵ سال پیش انجام داد، استفاده می‌کند.»
کوزنکو همچنین گفت که فیزیک ذرات، وب جهان‌گستر را به وجود آورد که در ابتدا به عنوان شبکه‌ای توسعه یافته توسط فیزیکدانانی که نیاز به انتقال حجم زیادی از داده‌ها بین آزمایشگاه‌ها داشتند، ایجاد شد. او اشاره کرد که کشف رزونانس مغناطیسی هسته‌ای در آن زمان مبهم به نظر می‌رسید، اما منجر به توسعه فناوری تصویربرداری رزونانس مغناطیسی شد که اکنون به طور معمول در پزشکی استفاده می‌شود.
کوزنکو گفت: «ما در ابتدای حوزه جدید نجوم نوترینویی هستیم و نوترینوهای مرموز مسیه‌۷۷ یکی از معماهایی است که باید در این مسیر حل کنیم.
سرمایه‌گذاری در علم چیزی را تولید خواهد کرد که ممکن است اکنون نتوانید از آن قدردانی کنید، اما می‌تواند دهه‌ها بعد چیز بزرگی تولید کند. این یک سرمایه‌گذاری بلندمدت است و شرکت‌های خصوصی تمایلی به سرمایه‌گذاری در نوع تحقیقاتی که ما انجام می‌دهیم ندارند. به همین دلیل است که بودجه دولتی برای علم بسیار مهم است ومتعاقبا دانشگاه‌هانیزبسیارمهم هستند.»