اکتشاف

شکار ذره‌ها در اعماق زمین

کد خبر: ۸۶۸۳۹۴

به تازگی دانشمندان با بهره‌گیری از مخازن عظیم مایعات ارگانیک تعبیه شده در زیر کوه‌های آپناین در ایتالیا، درباره منشأ ذراتی موسوم به نوترینو ـ که در لایه‌های درونی زمین ایجاد می‌شوند‌ ـ به اطلاعاتی دست یافته‌اند.

نوترینوها ذرات زیر اتمی شگفت انگیزی هستند که در جریان واکنش‌های هسته‌ای و واپاشی رادیواکتیو اتم‌های ناپایدار تولید می‌شوند. نوترینوها بسیار فرار و 500 هزار بار از الکترون‌ها سبک‌تر هستند. نوترینوها همچنین منشأ شناخته شده دیگری هم دارند که خورشید است. در واکنش‌های گداخت هسته‌ای در مرکز خورشید و تبدیل هیدروژن به هلیوم، مقادیر هنگفتی نوترینو آزاد و روانه فضای منظومه شمسی می‌شود. تعداد زیادی از این ذرات به زمین می‌رسند. شار نوترینوهای خورشیدی در زمین حدود 65 میلیارد است. معنی ساده جمله این است که از هر سانتی‌مترمربع در هر ثانیه این تعداد ذره عبور می‌کند. تصور کنید همین الان از مساحت مردمک چشمان شما 65 میلیارد نوترینو می‌گذرد.

نوترینو چیست؟

نوترینوها بار الکتریکی ندارند و به‌ندرت با دیگر ذرات اندرکنش می‌کنند. از این رو به‌راحتی می‌توانند از میان هر نوع ماده و محیطی عبور کنند. دیواری سربی به ضخامت یک سال نوری (5/9 تریلیون کیلومتر) فقط می‌تواند در حدود نیمی از نوترینوهایی را که از میان آن عبور می‌کنند، متوقف کند. درصد زیادی از نوترینوهایی که از خورشید می‌رسند، بدون این که اندرکنشی با محیط زمین داشته باشند، بدون تغییر و با سرعت از میان آن می‌گذرند. با این حال گاهی نوترینوها با اتم‌ها برخورد می‌کنند. وقتی این برخورد صورت می‌گیرد درخش‌های بسیار ضعیفی رخ می‌دهد. پیشتر هم دانشمندان توانسته بودند نوترینوها را آشکارسازی و وجودشان را تأئید کنند. واپاشی عناصر رادیواکتیو در لایه‌های درونی زمین، جریانی از ذرات را بیرون می‌راند. نوترینوهای زمینی می‌توانند به دانشمندان در شناخت جنبه‌های مختلف ساختار داخلی زمین کمک کنند. برای مثال، بسیاری از گرمای درونی زمین از گذشته‌های دور و دوران شکل‌گیری آن باقی مانده و بخشی از آن هم به واسطه گرمای آزاد شده در واپاشی عناصر رادیواکتیو است. با این حال هنوز کسی با اطمینان نمی‌داند میزان این گرما چقدر است. شناخت و پایش نوترینوهای زمینی به دانشمندان کمک می‌کند بدانند چه عناصر رادیواکتیوی در ساختار درونی زمین پراکنده‌اند و چگونه گرمای حاصل از واپاشی آنها، فعالیت‌های زمین‌شناختی مانند جریان سنگ‌های مذاب و زمین لرزه‌ها و آتشفشان‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به گفته یکی از دانشمندان فعال در این پژوهش، منابع گرمایی اینچنینی قادرند مقادیر عظیمی از مواد درونی زمین را به حرکت و جریان وادارند.

آشکارسازی نوترینوهای زمینی

برای آشکارسازی نوترینوهایی با منشأ زمینی، دانشمندان از آشکارساز Borexino در آزمایشگاه Gran Sasso National Laboratory در ایتالیا استفاده کرده‌اند. در این آزمایشگاه عظیم از بیش از 2200 آشکارساز برای ردیابی جرقه‌های نوری‌ای که در برخورد نادر نوترینوها با ذرات بیش از 300 تن از مایع ویژه ارگانیک ایجاد می‌شود، استفاده می‌کنند. همه اینها در مرکز کره بزرگی که با 2400 تن آب مقطر احاطه شده در 1.5 کیلومتری زیر کوه‌های آپنین (Apennine) ایتالیا قرار دارد.

اکنون محققان گسترده‌ترین مجموعه داده‌های جمع‌آوری شده در مورد نوترینوهای زمینی را ارائه کرده‌اند. آنان با بررسی داده‌های آزمایش که در بیش از 2056 روز به دست آمده توانسته‌اند در حدود 24 نوترینوی زمینی را آشکار کنند. محققان می‌گویند ممکن است این پژوهش به شناخت ما از این که چه عناصر رادیواکتیوی در اعماق زمین وجود دارند و چگونه لایه‌های داخلی زمین را تغییر می‌دهند، کمک می‌کند.

نتایج بررسی انرژی نوترینوها

بررسی انرژی نوترینوهای آشکار شده نشان می‌دهد حدود 11 مورد از آنها از گوشته زمین (لایه سنگی داغی که بین هسته و پوسته بیرونی زمین قرار دارد) می‌آیند و حدود 13 عددشان منشأ پوسته‌ای دارند. رفتار نوترینوهایی که دانشمندان تا به حال شناسایی کرده‌اند به تقریب نشان می‌دهد حدود 70 درصد از گرمای درونی زمین به خاطر فعالیت‌های رادیواکتیو است. البته عدم قطعیت زیادی در این نتیجه‌گیری اولیه وجود دارد. برای دریافت نتایج واقعی‌تر لازم است اطلاعات بیشتری جمع‌آوری کنند و برای این کار به 17 سال آزمایش و پژوهش نیاز دارند. دانشمندان قصد دارند در آینده نزدیک چند آشکارساز نوترینویی دیگر در نقاط مختلف زمین قرار دهند. یافته‌های این آشکارسازها به دانشمندان کمک خواهد کرد بدانند عناصر رادیواکتیو در کدام بخش‌های لایه‌های داخلی زمین پراکنده‌اند. به این ترتیب اثر گرمایی نوترینوها در فعالیت دورنی زمین مشخص‌تر خواهد شد.