2 اسفند 1392
نوترینو
اولین مشاهده نوترینو در اطاق حباب هیدروژن در ۱۳ نوامبر ۱۹۷۰
نوترینو (به انگلیسی: neutrino) یک ذره بنیادی است که از نظر الکتریکی خنثی بوده و به ندرت وارد برهمکنش می‌شود.[۱] نوترینو به معنی «کوچک خنثی»، معمولاً با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، از نظر الکتریکی خنثی بوده و قادر است از درون مواد تقریباً بدون هیچ برهمکنشی عبور نماید. نوترینوها دارایجرم بسیار کوچک، اما غیر صفر هستند. نوترینو با حرف یونانی (نو) نمایش داده می‌شود.
از آنجایی که نوترینوها بار الکتریکی ندارند، تحت تاثیر نیروهای الکترومغناطیس قرار نمی‌گیرند. نوترینوها تنها تحت تاثیر نیروی هسته‌ای ضعیف که در مقایسه دارای بُرد بسیار کوتاه‌تری از نیروی الکترومغناطیس است، قرار می‌گیرند. لذا قادر هستند مسافت‌های بسیار طولانی را درون مواد بدون برهمکنش طی نمایند.
نوترینوها در ضمن واپاشی بتا، در واکنش‌های هسته‌ای مانند آنچه در خورشید و یاراکتورهای اتمی رخ می‌دهند و هچنین در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با اتم‌ها ایجاد می‌گردند.
سه نوع یا «طعم» نوترینو وجود دارد: نوترینوهای الکترون، نوترینوهای میون ونوترینوهای تاو. همچنین هر یک از آنها پادذره مربوط به خود بنام پادنوترینو دارند.
بیشتر نوترینوهایی که از زمین عبور می‌کنند، از خورشید صادر می‌شوند. در هر ثانیه از هر سانتیمتر مربع زمین، در حدود ۶۵ میلیارد (۱۰۱۰×۶٫۵) نوترینوی خورشیدیعبور می‌کند.[۲]
انرژی گم شده در تابش پرتو بتا و ایده وجود نوترینو
هنگامی که جیمز چادویک تحقیقات خود را برروی پرتو بتا آغاز کرد، مصمم شد تا انرژی ذرات بتا را اندازه بگیرد. او از خود پرسید: آیا همگی آنها با یک میزان انرژی بیرون می‌آیند، یا انرژی آنها توزیع شده است؟ رادرفورد دیگر پژوهشگران کوشیده بودند تا به این پرسش پاسخ دهند، ولی نتایج گمراه کننده بود. چادویک به منظور اندازه‌گیری انرژی و اندازه حرکت الکترون‌هایی که از رادیوم خارج می‌شدند، آزمایشی طراحی کرد که در آن آهنربایی ذرات را از مسیر منحرف می‌کرد و با اندازه‌گیری میزان انحراف توانست اندازه حرکت را بدست آورد. وی از یک شمارشگر تخلیه الکتریکی شبیه شمارشگر گایگر استفاده کرد. اهمیت کشف چادویک این بود که نتایج آزمایش‌های او نشان می‌دادند اصل پایستگی انرژی دیگر رعایت نمی‌شود. برهمکنش مربوطه چنین بود:
اتم رادیواکتیو پیش از واپاشی و همان اتم بعد از واپاشی است.انرژی این الکترون می‌تواند از تقریباً صفر تا یک حداکثر معین باشد. انرژی کلی ، منجمله انرژی جرم سکون آن، باید با کل انرژی برابر باشد. چنانکه دیده شد نسبت انرژی به انرژی الکترون برخی اوقات بسیار بالا و گاهی پایین است و تقریباً هیچ بستگی ندارد. پس در معادله موازنه ایجاد نمی‌شود. آیا ذره غیر قابل دیدی منتشر می‌شود؟ این آزمایش‌ها به دلیل جنگ جهانی اول متوقف شد. پس از جنگ فردی به نام چارلز الیس به گروه رادرفورد پیوست. او و ویلیام وستر روشی برای بدست آوردن انرژی‌ای که در گذار از به حاصل می‌شد، اندیشیدند. شگردشان این بود که بگذارند انرژی منتشر شده، استوانه بزرگی از سرب را که کاملاً عایق شده بود، گرم کرده و درجه حرارت سرب را با دستگاه حساس ترموکوپل که قادر است تغییرات کوچک دما را نشان دهد، اندازه بگیرند. نتیجه قطعیت داشت. هیچ عامل گرم کننده دیگری بیرون نمی‌آمد. این انرژی گمشده اثری از خود باقی نمی‌گذاشت و توضیحی وجود نداشت. مسئله انرژی گم شده در تابش پرتو بتا چنان شدت گرفت که در سال ۱۹۲۹ نیلز بور پیشنهاد کرد که شاید اصل پایستگی انرژی در حوزه هسته بکار نیاید. توضیح انرژی گمشده باید در انتظار ولفگانگ پائولی باقی می‌ماند. او نمی‌توانست عقیده بور مبنی بر فرو ریختن اصل پایستگی را بپذیرد و برای گذر از این تنگنا در سال ۱۹۳۰ وجود ذره جدیدی را پیشگویی کرد که از این برهمکنش بیرون می‌آید و از خود در کالریمتر الیس نه مسیری و نه حرارتی باقی می‌گذارد. این ذره بایستی بدون بار و برخوردار از قدرت نفوذ بالا باشد. بدینسان پائولی ذره‌ای را که انریکو فرمی بعدهانوترینو نام گذاشت، پیشگویی کرد. به این ترتیب، واکنش واپاشی بتا چنانکه در سال ۱۹۳۹ فرمی آن را به چاپ رسانید، چنین است:
۲۵ سال باید می‌گذشت تا نوترینو مستقیماً ردیابی شود. اما خیلی پیش از آن ایده وجود نوترینو به طورکلی به سبب استفاده از اصل پایستگی انرژی، غیر مستقیم پذیرفته شده بود.[۳]
امروزه رابطه فوق را در واپاشی بتا (نوع −β) به شکل زیر می‌شناسیم که در آن یکنوترون ( ) به یک پروتون ( )، یک الکترون ( ) و یک پادنوترینوی الکترونی ( ) واپاشی می‌کند:
پادنوترینوها اولین بار بواسطه برهمکنش آنها با پروتون‌ها در یک مخزن ۲۰۰ لیتری آب در آزمایش کووان و رینز در سال ۱۹۵۶ شناسایی شدند. در این آزمایش فرض براین بود که در واپاشی بتا، پادنوترینوی الکترونی ( )، با پروتون ( ) وارد برهمکنش شده و باعث بوجود آمدن یک نوترون ( ) و یک پوزیترون ( ) (پادذره الکترون) می‌شوند:
در این آزمایش چشمه نوترینوها راکتور هسته‌ای نیرومندی بود که در آن نوترینوها در ضمن واپاشی بتا از شکافت اورانیوم، به میزان ۱۰۱۳×۵ نوترینو در هر ثانیه و در هر سانتیمتر مربع تولید می‌شدند.[۴] بعد از ماه‌ها آزمایش، آنها در حدود سه نوترینو در هر ساعت را توسط آشکارسازهای خود که تعداد آنها ۱۱۰ عدد بود، شناسایی کردند.
تاریخچه کشف نوترینو
تاریخچه کشف نوترینو، بطور خلاصه بدین قرار است:
پادنوترینو
پادنوترینو پادذره نوترینو است که در واپاشی بتا ایجاد شده و از نظر بار الکتریکی خنثی است. مشاهدات مربوط به نوسان نوترینو نشان داده است که پادنوترینوها دارای جرم هستند. از آنجایی که نوترینوها و پادنوترینوها ذرات خنثی هستند، این امکان وجود دارد که هردوی آنها در واقع یک ذره باشند. ذراتی که دارای چنین مشخصه‌ای هستند، به عنوان ذرات مایورانا شناخته می‌شوند. اگر نوترینوها ذرات مایورانا باشند آنگاهواپاشی بتای دوتایی بدون نوترینو امکان‌پذیر خواهد بود.
سرعت نوترینو
پپش از ظهور ایده نوسان نوترینو (تغییر طعم)، عموماً سرعت نوترینو برابر سرعت نوردرنظر گرفته می‌شد. موضوع سرعت نوترینو بستگی مستقیم به جرم آن دارد. براساس قانون نسبیت خاص اگر نوترینوها بدون جرم هستند آنگاه باید با سرعت نور حرکت نمایند و درصورتی که دارای جرم باشند، دیگر نمی‌توانند به سرعت نور برسند.
در تاریخ ۲۳ سپتامبر ۲۰۱۱ (۱ مهر ۱۳۹۰)، تیم تحقیقاتی آشکارساز اپرا اعلام نمودند که مشاهدات آنها نشان می‌دهد که سرعت نوترینوها از سرعت نور نیز فراتر می‌روند. مشاهدات انجام شده در گرن‌ساسو ایتالیا، بر روی ۱۵۰۰۰ نوترینو گسیل شده از سرن واقع در ژنو پس از عبور از تونلی به طول ۷۳۰ کیلومتر، بیانگر این است که سرعت نوترینوها در این آزمایش ۰٫۰۰۲٪ (۲۰ واحد در میلیون) بالاتر از سرعت نور بوده است. با این وجود، تیم تحقیقاتی سرن در یافته خود محتاط هستند و آن را به بوته آزمایش دیگر دانشمندان گذاشته‌اند.[۸]
تا به امروز علم فیزیک مدرن خصوصاً پس از تئوری نسبیت خاص آلبرت انیشتین، سرعتی بالاتر از سرعت نور را نمی‌شناخت. به این ترتیب، اگر یافته جدید محققان سرن تایید شود، فرضیه نسبیت اینشتین و در نتیجه، نگرش بشر امروز نسبت به جهان هستی و رفتار پدیده‌های کیهانی به گونه‌ای اساسی دگرگون خواهد شد.
به گفته پژوهشگران، حتی با منظور کردن ضریب خطا در این آزمایش، فزونی سرعت حرکت این ذرات از سرعت نور قابل قبول بوده است. آنان گفته‌اند که با توجه به اهمیتی که چنین کشفی داشته، مدتی را به بررسی آن پرداختند تا اطمینان حاصل کنند در جریان انجام آزمایش و اندازه‌گیری نتیجه آن، اشتباهی روی نداده است. چند سال پیش، آزمایشگاه فرمی‌لب در شیکاگو نیز به کشف مشابهی دست یافت اما به دلیل خطای قابل ملاحظه‌ای که در اندازه‌گیری وجود داشت، آن را معتبر ندانست. یژوهشگران سرن، ضمن ابراز تعجب از چنین کشفی، وعده داده‌اند که به زودی جزئیات بیشتری را در این زمینه منتشر کنند تا سایر فیزیکدانان نیز بتوانند به تکرار آزمایش و بررسی مستقل این پدیده بپردازند.
ارزیابی شتابزده پژوهشگران سرن
ارزیابی شتابزده پژوهشگران مرکز تحقیقاتی سرن، پیش از این که باعث تغییر قوانین فیزیک شود، باعث جدی‌تر شدن نظارت بر تجهیزات خواهد شد، چرا که سخن از خطای انسانی در نتیجه‌گیری عجیب آنها به میان آمده و به نظر می‌رسد نوترینوهای مورد نظر آنان سرعتی بیشتز از نور نداشته اند.
براساس قانون نسبیّت خاص اگر نوترینوها (نیت ری نوز) بدون جرم هستند باید با سرعت نور حرکت نمایند و درصورتی که دارای جرم باشند (دارای جرم بسیار کوچک، اما غیر صفر هستند)، دیگر نمی‌توانند به سرعت نور برسند.
گویا مشکلات در آزمایش به استفاده از سامانهٔ موقعیت‌یاب جهانی جی‌پی‌اس ([۹]برای همزمان کردن ساعت‌های اتمی هر دو سوی این مسیر برمی‌گشت.
گذر زمان در ساعت‌ها بین رسیدن سیگنال سنکرون‌کننده باید در نظر گرفته می‌شد و احتمالا این کار به درستی انجام نشده و چه بسا یک اتصال مشکل‌دار بین سیگنالجی‌پی‌اس و ساعت اصلی وجود داشته است.
خطا در نوسان‌سازی که برای اعمال برچسب‌های زمانی برای سنکرون کردنجی‌پی‌اس (وصل دو شبکه کاملاً مجزا به طریقی که هیچ نوع شدت جریان ضربه ای قابل ملاحظه ای ایجاد نشود) به کار رفته، می‌تواند منجر به اشتباه در برآورد زمان سفر نوترینوها و اضافه‌تر محاسبه شدن این زمان شده باشد. [۱۰]
همزمان کردن ساعت ها به دلیل اثرات نسبیت خاص و عام هم می‌تواند به خطایی از مرتبه ی چند ده نانو ثانیه منجر بشود که به اشتباه به سرعت بیش از سرعت نورتعبیر شده است. [۱۱]
جرم نوترینو
در مدل استاندارد ذرات بنیادی فرض شده که نوترینوها بدون جرم هستند و این موضوع عقیده رایج تا دهه هفتاد میلادی بود. در سال ۱۹۹۸ نتایج تحقیقات در آشکارساز نوترینوی سوپر کامیوکانده مشخص نمود که نوترینوها می‌توانند از یک طعم به طعم دیگر نوسان نمایند، این موضوع مستلزم آن است که آنها باید جرم غیر صفر داشته باشند.[۱۲] این ایده اولین بار در سال ۱۹۶۸ توسط پونته‌کورو در پی ابهامات بوجود آمده در اندازه‌گیری تعداد نوترینوهای خورشیدی عبوری از زمین، مطرح شد. در سال ۲۰۱۰ آشکارساز اپرا تغییر طعم نوترینوهای میونی به نوترینوهای تاو را ثبت نمود.
برخی آمار و ارقام
۳۳۰ نوترینو، مربوط به مهبانگ
۰٫۰۰۰۲ نوترینو، مربوط به ابرنواخترها (سوپرنواها)
۰٫۰۰۰۰۰۶ نوترینو، مربوط به ستارگان
محتویات
تعداد مشاهده (2235) نظرات (0)