مزایای دانستن بیشتر در مورد نوترینوهایی که بدون توجه از بدن ما عبور می کنند

مشاهده جرم نوترینوها ، که منجر به اعطای جایزه نوبل فیزیک 2015 به طور مشترک به تاکاکی کاجیتا ژاپنی و آرتور مک دونالد کانادایی شد، به دو دلیل کلیدی مهم است. اول، دانش عمیق تری از اصول اساسی طبیعت ارائه می دهد. دوم، مانند هر اکتشاف دیگری، با نوآوری در علم و فناوری همراه است.

در حالی که ما از وجود نوترینوها اطلاع داریم، اطلاعات زیادی در مورد آنها در دست نیست. نوترینوها به تعداد زیادی در جهان وجود دارند. به همین دلیل است که درک نوترینوها به طور مستقیم با دانش ما از جهان مرتبط است.

اکنون که مشخص شده است که نوترینوها دارای جرم هستند ، ما کلیدی برای درک بهتر نحوه توزیع جرم در جهان داریم. نوترینوها همچنین ممکن است به درک اینکه چرا جهان پیوسته در حال انبساط است کمک کنند.

این در مقیاس مشابه با کشف بوزون هیگز در برخورد دهنده بزرگ هادرونی در سازمان اروپایی تحقیقات هسته ای ( سرن ) و اکتشافات آینده مورد انتظار از پروژه آرایه کیلومتر مربعی (SKA) قرار دارد.

هر کشفی در علوم تجربی نتیجه تلاش های عظیم برای غلبه بر مشکلات و چالش های تکنولوژیکی است. هنگامی که نوترینو برای اولین بار در سال 1930 فرض شد، بسیاری فکر می کردند که تشخیص آنها غیرممکن است، چه رسد به مطالعه خواص آن – مانند جرم آن.

نیاز بی‌وقفه به درک بهتر طبیعت، دانشمندان را مجبور به نوآوری می‌کند تا مرزهای علم و فناوری را جابجا کنند. تلاش های انجام شده برای نشان دادن اینکه نوترینوها حاوی جرم هستند، علم و فناوری را در کانادا و ژاپن تقویت کرده است . حمایت آفریقای جنوبی از پروژه‌های CERN، SKA و سایر تلاش‌ها در حال حاضر تأثیر مشابهی دارد.

تقویت علم و فناوری از طریق پروژه های علمی بزرگ، ارزش افزوده توسعه ظرفیت انسانی در فناوری پیشرفته را به ارمغان می آورد که آفریقای جنوبی بسیار به آن نیاز دارد.

نوترینوها چیست؟

قبل از پاسخ به این سوال باید کمی به عقب برگردیم. ماده از اتم ساخته شده است . اتم‌ها از هسته‌هایی با بار مثبت و الکترون‌هایی با بار منفی تشکیل شده‌اند که با سرعت زیادی در اطراف هسته‌ها حرکت می‌کنند.

نیروی الکترومغناطیسی الکترون ها را در مدار اطراف هسته ها نگه می دارد زیرا بارهای الکتریکی مخالف یکدیگر را جذب می کنند. هسته ها در مقایسه با الکترون ها بسیار سنگین هستند و از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده اند.

نوترینوها را می توان پسرعموهای الکترون ها دانست، فقط خنثی. نوترینوها برخی از خواص الکترون ها را به اشتراک می گذارند – به عنوان مثال، اسپین. یک نوع نوترینو با الکترون جفت شده است که به آن نوترینو الکترونی می گویند. الکترون دارای یک ضد ذره به نام پوزیترون است که دارای بار الکتریکی مثبت است. همچنین یک الکترونی ضد نوترینو وجود دارد.

در طبیعت ذرات باردار دیگری مشابه الکترون وجود دارد که به آنها میون و تاوس می گویند. اینها از الکترون سنگین ترند. میون ها و تاوس نیز به ترتیب دارای دو نوع نوترینو دیگر هستند. در مجموع ما از سه نوع نوترینو (الکترون، میون و تاو) و ضد ذرات آنها آگاه هستیم.

چرا نوترینوها گریزان هستند؟

نوترینوها بار الکتریکی ندارند. بنابراین، آنها دفع یا جذب ذرات باردار دیگر در طبیعت نمی شوند. آنها بسیار ضعیف با ماده تعامل می کنند، بنابراین به ندرت اثری از خود بر جای می گذارند.

روزانه مقادیر زیادی نوترینو از درون ما عبور می‌کند، اما ما آنها را احساس نمی‌کنیم، زیرا نوترینوها به سختی با اتم‌هایی که بدن ما را تشکیل می‌دهند، تعامل دارند.

بیشتر نوترینوهایی که از زمین می گذرند از خورشید می آیند و از همجوشی هسته ای تولید می شوند. به این نوترینوهای خورشیدی می گویند. نوترینوهای دیگر در نتیجه برخورد ذرات کیهانی با جو زمین تولید می شوند. اینها نوترینوهای جوی نامیده می شوند.

چگونه می توانیم بگوییم که نوترینوها جرم دارند؟

سه نوع نوترینو وجود دارد. اگر نوترینوها بدون جرم بودند، برای همیشه بدون محدودیت سفر می کردند. اگر نوترینوها جرم داشته باشند، در حین حرکت، به تدریج “ناپدید” می شوند تا به نوع دیگری از نوترینو تبدیل شوند.

این به عنوان نوسان نوترینو شناخته می شود و یک اثر مکانیکی کوانتومی است.

به عنوان مثال، خورشید نوترینوهای الکترونی ایجاد می کند. زمانی که نوترینوها به زمین می رسند، ما فقط حدود یک سوم نوترینوهای ساطع شده را مشاهده می کنیم. دو سوم باقی مانده از نوترینوهای الکترونی به نوترینوهای میون و تاو تبدیل می شوند. از طریق این فرآیند، به طور مستقیم نشان داده می شود که نوترینوها دارای جرم هستند.

دهه ها تحقیق نتیجه می دهد

نوترینوها در سال 1930 به عنوان وسیله ای برای توضیح انرژی از دست رفته از نوع خاصی از واکنش های هسته ای مطرح شدند. تا سال 1956 بود که نوترینوها به طور واضح در شرایط آزمایشگاهی شناسایی شدند، که در سال 1995 جایزه نوبل فیزیک برای آن اعطا شد.

دانشمندان از سراسر جهان از تحقیق در مورد ماهیت این ذرات گریزان دست برنداشته اند. نوترینوها به عنوان خنثی شناخته می شدند و فرض می شد که بدون جرم هستند. تا اواخر دهه 1990 و اوایل دهه 2000 بود که تکنیک‌های تجربی برای روشن کردن جرم نوترینوها در دسترس قرار گرفتند.

مورد دوم نشان‌دهنده یک کشف بزرگ در فیزیک است که منجر به دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال 2015 شد. واقعیت این است که تا به امروز ما واقعاً نمی‌دانیم نوترینوها چگونه جرم می‌گیرند. کشف این راز ممکن است به اکتشافات پیشگامانه دیگری منجر شود.