چرا نوترینوها برنده‌ی نوبل فیزیک شدند؟

وب‌سایت مجله دیجی کالا: دیروز، نوعی ذرات زیر اتمی و مرموز به نام «نوترینو» توانستند باعث شوند که یک فیزیک‌دان ژاپنی و یک فیزیک‌دان کانادایی، جایزه‌ی نوبل فیزیک ۲۰۱۵ را ببرند.«تاکاکی کاجیتا» (Takaaki Kajita) از دانشگاه توکیو، سرپرست گروهی بود که سال ۱۹۹۸ توانست در آزمایشگاه «سوپرکامیوکانده» (Super Kamiokande) کشف بزرگ خود را انجام دهد. این آزمایشگاه در یک معدن «روی» واقع در ۲۵۰ کیلومتری شمال‌غرب توکیو قرار دارد. «آرتور مک‌دونالد» (Arthur McDonald) از دانشگاه کویین کانادا نیز گروهی که در رصدخانه‌ی نوترینوی سادبری (SNO) کار می‌کردند را رهبری می‌کرد. آن‌ها در سال ۲۰۰۱ توانستند نتایجی که سال ۱۹۹۸ در آزمایشگاه سوپرکامیوکانده بدست آمده بود را تایید کنند و آن را گسترش دهند.


نوترینوها ذراتی هستند که به ندرت با دیگر ذرات، از جمله ماده وارد برهمکنش می‌شوند. نوترینوها دارای سه نوع (یا سه طعم) هستند که با نام «الکترون»، «میوئون» و «تاو» شناخته می‌شوند. برندگان نوبل امسال نشان دادند که وقتی نوترینوها با سرعت نزدیک به نور حرکت می‌کنند، می‌توانند تغییر نوع بدهند و مثلا از الکترون تبدیل به میوئون شوند. به بیان دیگر، این بدین معنیست که نوترینوها دارای جرم هستند.

پژوهشگرانی که در آزمایشگاه سوپرکامیوکانده کار می‌کردند، متوجه شدند «میوئون نوترینوهایی» که از برخورد ذرات پر انرژی فضایی با اتمسفر زمین بوجود می‌آیند، در مسیر دچار تغییر هویت می‌شوند. دانشمندان فهمیدند تعداد میوئون نوترینوهایی که از آسمان بالاسر به حسگرها برخورد می‌کنند، با تعداد میوئون نوترینوهایی که از زیر زمین می‌آیند (بدین ترتیب مسیر طولانی‌تری را طی کرده‌اند) متفاوت است. این بدین معنیست که نوترینوها در مسیر تغییر نوع داده‌اند.

فیزیک‌دان‌های آزمایشگاه کانادایی SNO، نوترینوهای خورشیدی که از نوع «الکترون نوترینو» هستند را بررسی کردند. آن‌ها متوجه شدند که در مسیر ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید تا زمین، بعضی از الکترون نوترینوها، به میوئون نوترینو و تاو نوترینو تبدیل می‌شوند.


این دو آزمایش نشان داد که نوترینوها برخلاف چیزی که قبل از آن تصور می‌شد، کاملا فاقد جرم نیستند. به این دلیل که طبق نظریه‌ی نسبیت خاص انشتین، ذرات بی‌جرم با سرعت نور حرکت می‌کنند و زمان برای آن‌ها ثابت است، در نتیجه نمی‌توانند تغییر ماهیت بدهند. این یافته‌ها باعث شد که پنجره‌ای جدید در فیزیک‌ذرات باز شود و پژوهشگران به دنبال زمینه‌هایی مثل «نوسان نوترینوها» بروند. مطالعه‌ی این نوسان‌ها باعث می‌شود که بتوانیم به پاسخ پرسش‌هایی بنیادین، مثل اینکه چرا به هنگام تکامل عالم، به یکباره نسبت ماده به پاد ماده افزایش یافت را بفهمیم.

هر دو آزمایش، نتیجه‌ی همکاری صدها فیزیک‌دان بود. پروفسور مک‌دونالد می‌گوید: «من همکاران زیادی دارم که جایزه را باید با آن‌ها شریک شوم.» «آلفونز وبر» (Alfons Weber) که یک فیزیک‌دان از دانشگاه آکسفورد است می‌گوید: «من کاملا هیجان‌زده هستم و نمی‌دانم چه بگویم. هرچند که غافلگیر شدیم، ولی غیر قابل انتظار هم نبود. این یکی از بزرگترین اکتشافات فیزیک است. خیلی عجیب است که در طبیعت چیزی به یکباره دچار تغییر ماهیت شود. مثل این است که یک سیب را بالا بیندازید ولی وقتی باز می‌گردد به یک پرتقال تبدیل شده باشد.»