مرموزترین ماده دنیا در قلب قطب جنوب

از میان تمامی ذرات و موادی که عالم را تشکیل می‌دهند، نوترینو عمومی‌ترین و در عین حال عجیب‌ترین ماده به شمار می‌آید. این ذرات می‌توانند از درون زمین با سرعتی حرکت کنند که برای درک بهتر می‌توان آن را با حرکت برق‌آسای گلوله از میان توده‌ای مه مقایسه کرد. این ذرات آنقدر مرموز هستند که حتی پس از گذشت نیم قرن از کشف آنها اطلاعات بسیار اندکی درباره آنها به دست آورده‌ایم و از این رو می‌توان گفت عملا چیزی درباره آنها نمی‌دانیم! خورشید تنها در عرض چند ثانیه میزانی نوترینو تولید و منتشر می‌کند که همین میزان از تمام دانه‌های شن سواحل و بیابان‌های زمین بیشتر است. این میزان نوترینو که در همین چند ثانیه تولید می‌شود از تمامی اتم‌های موجود در بدن تمامی انسان‌هایی که تاکنون زندگی روی زمین را تجربه کرده‌اند، بیشتر است. اگر این امکان برای ما وجود داشت که با چشم‌های نوترینویی محیط اطراف را مشاهده کنیم، شب‌ها از نظر روشنایی و درخشندگی دست کمی از روزهای درخشان و آفتابی نداشتند. البته تنها این خورشید نیست که در عالم نوترینو پخش می‌کند. هر یک از ستارگانی که با چشمان غیرمسلح قابل دیدن باشند و شمار بی‌پایانی از ستارگانی که تنها با استفاده از تلسکوپ‌های قدرتمند می‌توان آنها را دید، همواره در حال پر کردن عالم از نوترینو هستند.

نوترینوها آنقدر کوچک هستند که بی‌سروصدا از درون هر ماده‌ای عبور کرده بی‌آن که برخوردی با اتم‌ها و مولکول‌های سازنده آنها داشته باشند. دقیقا به همین خاطر است که به نوترینوها عنوان ذرات اشباح را داده‌اند! در هر ثانیه تریلیون‌ها ذرات اشباح از بدن ما عبور می‌کنند. به خاطر همین ویژگی‌های عجیب و شبح گونه است که دانشمندان و بخصوص فیزیکدانان علاقه زیادی به بررسی آنها دارند. این ذرات می‌توانند از اعماق عالم براحتی عبور کنند بدون آن که هیچ مانعی در سر راه آنها وجود داشته باشد، اما چرا فیزیکدانان تا این حد به این ذرات علاقه‌مند هستند؟ پاسخ را می‌توان در چند جمله عقب‌تر پیدا کرد. این ذرات از دل عالم بیرون می‌آیند و از این رو مملو از اطلاعات ارزشمندی درباره پیدایش عالم و زوایای پنهان آن هستند. این همان موضوعی است که دانشمندان و بویژه فیزیکدانان قرن‌هاست در حال بررسی آن هستند و در این رهگذر به هر نکته و سرنخی که گوشه‌ای از پاسخ این پرسش بزرگ را ارائه کند، توجه می‌کنند.

البته ویژگی‌های خاص این ذرات در نوع خود مشکلات و چالش‌هایی را نیز به همراه دارد. اکنون این پرسش مطرح می‌شود که چگونه می‌توان ذراتی را مورد بررسی و ردیابی قرار داد که هیچ گاه متوقف نمی‌شوند و عملا نمی‌توان سرعت آنها را در ذهن متصور شد؟ چگونه می‌توان ذراتی را مورد ارزیابی قرار داد که هیچ ماده‌ای نمی‌تواند سد راه عبور آنها شود؟ پیدا کردن پاسخی برای این پرسش‌ها خود به شکل‌گیری شاخه‌هایی در علوم بشری شده است به طوری که در سال‌های اخیر دانشمندان زیادی درصدد ارائه راه‌حل‌های کاربردی در این زمینه بوده‌اند. تازه‌ترین راهکاری که در این خصوص ارائه شده، مفهومی موسوم به Ice Cube بوده است. این پروژه آزمایشی در ایستگاه تحقیقاتی آموندسن ـ اسکات قطب جنوب، یعنی جنوبی‌ترین نقطه زمین آغاز شده است. البته این ایستگاه در منطقه بسیار سختی از نظر آب و هوا ساخته شده و لذا راه‌اندازی این پروژه در نوع خود کار بسیار دشواری بوده است. در این نقطه از جهان دمای هوا در بالاترین دما به منهای 13 درجه سانتی‌گراد می‌رسد. با این حال این دما را نمی‌توان ویژگی چندان بارزی برای این نقطه از جهان دانست بلکه این روزها پروژه Ice Cube به عنوان سمبلی برای قطب جنوب در نظر گرفته می‌شود. در اینجا می‌توان نگاه عمقی‌تری به کهکشان‌ها و فضای بیکران داشت. دانشمندانی که در این پروژه آزمایشگاهی حضور دارند، هسته کهکشان راه شیری را به دقت مورد بررسی قرار می‌دهند و این دقیقا همان جایی است که تاکنون بشر امکان مشاهده آن را نداشته است. به هر حال می‌توان گفت در این نقطه از جهان شکل جدیدی از علم موسوم به اخترشناسی نوترینویی، حیات یافته است.

همه چیز به سال1930 بازمی‌گردد. زمانی که فیزیکدان اتریشی به نام وولفگانگ پائولی از نتایج مطالعاتی خبر داد که نشان می‌دادند پرتوهای هسته‌ای شامل ذرات الکتریکی خنثی هستند که به احتمال فراوان جرمی ندارند. این ذرات نوترینو نام گرفتند که در زبان ایتالیایی به معنای خنثی کوچک است. پائولی به سرعت متوجه شد که شانس ردیابی یک ذره نوترینو بسیار ناچیز است و حتی همان زمان نیز با صراحت مدعی شد هیچ کس هم نخواهد توانست این ذرات را به دام بیندازد. امروزه شانس بسیار ناچیزی که وی مطرح کرده بود همچنان پابرجاست، اما با این تفاوت که میزان این شانس بیشتر از گذشته شده است. نکته مهم این که زمانی که پای چهره‌های متعدد علمی به این مقوله باز می‌شود، شانس به دام انداختن این ذرات نیز به نوبه خود بیشتر می‌شود. این یک حقیقت پذیرفته شده علمی است که نوترینوها از هر ماده‌ای که بر سرشان باشد در کمترین زمان ممکن عبور می‌کنند بدون آن که سدی در برابرشان توانایی ایستادگی داشته باشد، اما این هم منطقی است که بپذیریم اگر در نزدیکی یکی از منابع تولیدکننده این ذرات باشیم، به عنوان مثال منبعی که در هر ثانیه میلیاردها ذره نوترینو تولید می‌کند، این شانس را داریم که حداقل یک یا دو ذره از این ذرات را شکار کنیم. این خبری هیجان‌انگیز و البته خوشحال‌کننده برای دانشمندان و بخصوص فیزیکدانان است.

سال 1951 دو فیزیکدان آمریکایی به نام‌های کلاید کاون و فرد رینس از یک رآکتور اتمی برای تولید انبوهی از نوترینوها استفاده کردند. این دستگاه در هر ثانیه 10 تریلیون ذره نوترینو به ازای هر سانتی‌متر مربع تولید می‌کرد. آنها عنوان هیجان‌انگیز پروژه شبح را بر آزمایشات خود گذاشتند. علت آن نامگذاری به طبیعت بسیار خاص این ذرات باز می‌گشت که نه‌تنها دیده نمی‌شدند بلکه می‌توانستند از هر ماده‌ای عبور کنند. در تابستان 1956 و در رآکتور ریور ساوانا در جنوب شرق آمریکا رویای دانشمندانی که سال‌ها به دنبال شکار حتی یک ذره نوترینو بودند به واقعیت تبدیل شد. در آن سال و در آن مرکز نخستین نوترینو شکار شد. کاون و رینس خوشحال از این دستاورد تاریخی برای وولفگانگ پائولی که در سال 1930 و برای نخستین بار وجود ذرات نوترینو را ثابت کرده بود، پیغامی فرستادند و در آن نوشتند که باید شانس بیشتری برای شکار این ذره در نظر می‌گرفته است. شکار این ذره در حالی صورت می‌گرفت که دنیا وارد عصر اکتشافات فضایی شده بود. افسانه آپولوها در آسمان و شکار ناشناخته‌ترین ذره موجود در عالم روی زمین سراسر جهان را مملو از هیجانات مربوط به کشفیات و دستاوردهای علمی کرده بود.

اما اکنون این پرسش مطرح می‌شود که این فیزیکدانان برای شکار این ذره نوترینو چه اقدامی انجام داده بودند که تا پیش از آن هیچ دانشمند دیگری موفق به انجام آن کار نشده بود. آنچه آنها انجام داده بودند شامل قرار دادن دو تانک بزرگ مملو از آب در اعماق زمین بود. این دو تانک در فاصله 11 متری از رآکتور قرار داشتند. زمانی که یک ذره نوترینو به یکی از الکترون‌های موجود در آب برخورد می‌کند دقیقا همان حالتی روی می‌دهد که در برخورد توپ بیلیارد با توپ‌های ثابت روی میز دیده می‌شود. بر اثر این برخورد فلش نوری ایجاد شد که با استفاده از دستگاه‌های الکترونیکی مخصوصی که در اطراف مخزن قرار داشت، ثبت شد. قرار گرفتن مخازن در چنین عمقی از زمین به این خاطر صورت گرفت که آنها را از پرتوهای کیهانی مصون نگاه دارند. این پرتوها در حقیقت ذرات انرژیکی هستند که از فضاهای دور به زمین رسیده و می‌توانند نتایج آزمایش‌هایی از این دست را دستخوش تغییرات زیادی کنند. با استفاده از این ردیاب به ظاهر ساده، دانشمندان برای نخستین بار توانستند اطلاعاتی هرچند مختصر درباره نوترینوها به دست آوردند. این اطلاعات شامل انرژی این ذرات و همچنین محل پیدایش آنها می‌شد. آنچه این دانشمندان انجام داده بودند در حقیقت طراحی و ساخت نوعی تلسکوپ نوترینویی بود که از آن به عنوان پنجره‌ای تازه به سوی عالم یاد می‌شود.

در 23 فوریه 1987 ابرنواختر عظیمی در یکی از کهکشان‌های راه شیری فوران کرد. اخترشناسانی که آن موقع این حادثه تاریخی را مورد بررسی قرار می‌دادند، این پرسش را نیز مطرح می‌کردند که از بابت این فوران عظیم تا چه میزان نوترینو تولید و روانه زمین شده است؟ دانشمندان تخمین زدند در عرض تنها 15 ثانیه حجم عظیمی از این ذرات روانه زمین شده است. دانشمندانی که در تاسیسات زیرزمینی پیشرفته آمریکا و ژاپن این رویداد را زیر نظر داشتند از ردیابی این حجم عظیم در زمین خبر دادند.

اکنون فیزیک اخترشناسان به این نتیجه رسیده بودند که سقوط جاذبه‌ای یک ابرنواختر می‌تواند منبع عظیمی از تولید نوترینوها باشد. در این میان باید به نکته‌ای ظریف توجه کرد و آن این‌که نور فلش مانندی که از بابت سقوط جاذبه‌ای یک ابرنواختر دیده می‌شود، تنها بخش بسیار کوچکی از رویداد عظیم کیهانی است که در آن نقطه از عالم روی داده است. دانشمندان با محاسبه شمار نوترینوهایی که در آن روز تاریخی ردیابی کردند و همچنین اطلاعاتی که درخصوص فاصله آن ابرنواختر از زمین داشتند، توانستند محاسباتی درخصوص ویژگی‌های مربوط به این ذرات و از جمله میزان انرژی نهفته در آنها انجام دهند. این محاسبات نشان داد که نظریه ابرنواخترهای صحیح بوده است، یعنی زمانی که ستارگان در خود فرو می‌ریزند حجم عظیمی از ذرات نوترینو را از خود رها می‌کنند. این عدد بسیار بزرگ است یعنی 10 به توان 59 یا به عبارتی دیگر عدد یک و 9 صفر که در مقابل آن قرار می‌گیرد. اگر بخواهیم این عدد را بخوانیم باید بگوییم: 100 میلیارد تریلیون تریلیون تریلیون تریلیون نوترینو! بدیهی است که تصور کنیم این حجم عظیم از ذرات نوترینو میزان انرژی عظیمی نیز در خود نهفته دارند. پس از انجام این محاسبات تاریخی بود که فیزیک اخترشناسان بر آن شدند تا نگاه دقیق‌تری روی ابرنواخترها داشته باشند.

اما در حالی که مخازن آبی قرار گرفته در عمق زمین ابتکار عمل خوب و موثری برای شکار نوترینوها به شمار می‌آید، باید برای شکار دسته‌های بزرگ‌تر، تور وسیع‌تری نیز پهن کرد. در اینجا صحبت از نوترینوهایی است که از فواصل بسیار دور کیهانی به زمین می‌رسند. بزرگ‌ترین تور شکار نوترینویی که تاکنون ساخته شده همان Ice Cube راه‌اندازی شده در قطب جنوب است. این پروژه بزرگ فاصله چندانی تا تکمیل شدن ندارد. البته در اینجا برای این‌که نوترینوها را به دام بیندازند نه از آب بلکه از یخ استفاده می‌کنند. البته بدیهی است که استفاده از یخ در قطب جنوب همانقدر ساده است که خواستن از دانشمندان برای تولید یخ و نگاه داشتن آن در دمای مورد نظر برای مدت طولانی و آن هم در حجم بالا در خانه کاری دشوار است. دقیقا به همین خاطر بوده است که این پروژه بزرگ در قطب جنوب آغاز شده است. قرن‌های طولانی است که در قطب جنوب برف می‌بارد. این حجم عظیم برف در لایه‌های زیرین یخی این منطقه فشار خیره‌کننده‌ای تولید کرده است که در زیر آن تمامی حباب‌های هوا، له شده‌اند. دانشمندان از صدها حسگر در عمق یخ‌های به کار گرفته شده در پروژه Ice Cube استفاده می‌کنند. اکنون که این گزارش را می‌خوانید تنها چند روز از قرار گرفتن آخرین سری این حسگرها در دل یخ‌های مورد نظر گذشته است. در دنیای فیزیک اتفاقات بسیار خاصی نیز روی می‌دهد که یکی از آنها در این پروژه دیده می‌شود. برخورد نوترینوها به یک اتم یخ موجب تولید ذره دیگری به نام muon می‌شود. این ذرات نور آبی تولید می‌کنند که به وسیله حسگرهای نوری ثبت می‌شوند و از آنجا که یخ کاملا شفاف و خالص است، پرتوهای نور آبی می‌توانند بی‌آن که افت رنگ پیدا کنند تا صدها متر در دل یخ نفوذ کنند.

مشکلی که در اینجا وجود دارد و درخصوص نوترینوهایی که از رویدادهای بسیار دور دست کیهانی تولید و روانه زمین می‌شوند نیز دیده می‌شود، این است که muon‌ها زمانی تولید می‌شوند که پرتوهای کیهانی با اتم‌های اتمسفریک زمین برخورد می‌کنند، اما ازآنجاکه نوترینوها تنها ذرات شناخته شده‌ای هستند که می‌توانند از زمین نیز عبور کنند، پروژه Ice Cube می‌تواند از زمین به عنوان فیلتر استفاده کند.

دانشمندان دریافته‌اند شدت نوترینوهایی که از سایر ستارگان تولید می‌شود در مقایسه با نوترینوهایی که از خورشید تولید و روانه زمین می‌شوند همچون شب پرستاره در برابر روز است. شکار نوترینوهایی که از خورشید به زمین می‌رسند کار بسیار دشواری است چه برسد به نوترینوهایی که از عمق کیهان راهی زمین می‌شوند. برای این دسته اخیر به تورهای بزرگ شکار نیاز است و پروژه Ice Cube همان تور بزرگ مورد نظر دانشمندان است. پروژه Ice Cube به ما کمک خواهد کرد تا چیزهایی را در عالم ببینیم که در روز روشن قابل رویت نیستند. همچنین اطلاعات ارزشمندی درخصوص امواج الکترومغناطیسی در اختیار ما قرار می‌دهد. پس از همین حالا پرسش‌هایی را که دانشمندان به دنبال دستیابی به پاسخ آنها درخصوص دنیای نوترینوها هستند باید با استفاده از نتایج تحقیقات صورت گرفته در پروژه Ice Cube حل شده تصور کرد، اما فقط یک امای کوچک دارد؛ تا یک دهه دیگر باید صبر کرد.

منبع: Focus Magazine