تولدت مبارک، خنثی کوچیکه – داستان کشف نوترینو
گروهی از متخصصان پرتوزایی در دسامبر سال 1930 در توبینگن (آلمان) جلسه ای تشکیل داده بودند. فیزیکدان جوانی به نام ولفگانگ پائولی استاد فیزیک نظری در انستیتو تکنولوژی فدرال، در زوریخ، به جای شرکت در این جلسه به یک جلسه مهمانی رفت. اما این جوان یک فکر باور نکردنی در سر داشت که می خواست آن را به اطلاع همکانش در آن جلسه برساند. به همین دلیل نامه به آنها نوشت و آن را با عبارت زیر شروع کرد:
خانمها و آقایان پرتوزای عزیز …
با همین نامه “نوترینو” متولد شد. نوترینو یک ذره بنیادی است و خواص قابل اندازه گیری آن به قدری کوچ است که ظاهره وجود خارجی ندارد. این ذره بار الکتریکی ندارد. بنابراین نیروی الکترومغناطیسی روی آن اثر نمی کند، جرم آن فوق العاده اندک است، بنابراین گرانش را بر آن اثری نیست؛ نیرویی قوی که در داخل هسته ها عمل می کند هیچ اثری بر نوترینو ندارد. از مین نیروهای بنیادی طبیعت فقط نیروی ضعیف باقی می ماند که بر برهم کنشهای نوترینو با سایر مواد حاکم است، و این نیرو نیز به اندازه ای ضعیف است که نوترینو می تواند مستقیما از داخل کره زمین عبور کند، چنانکه گویی اصلا کره زمینی بر سر راه آن قرار ندارد.
لئون لدرمن، که به خاطر این کشف که بیشتر از یک نوع نوترینو وجود دارد، در سال 1989 در جایزه فیزیک نوبل شریک شد، نوشته است: “ذره ای که با هیچ چیز واکنش نمی کند، هرگز کشف نمی شود. این ذره افسانه است، واقعیت ندارد.” با وجود این، همین ذرات که هیچ هستند، از جاذبه خاصی برخوردارند و باعث شده اند، که فیزیکدانان قدرت تخلیل خود را به کار اندازند. موریس گولد هابر، که در سالهای آخر دهه 1950، جهت چرخش نوترینوها را تعیین کرد، در مورد نوترینوها می گوید: “به نظریه پردازان جسارت و به آزمایشگران پشتکار و استقامت می دهد.” تاریخ 60 ساله نوترینو پر است از شخصیتهای باشهامت و باپشتکاری که پائولی در رأس همه آنها قرار می گیرد. پاولی به قدری باهوش و تیزبین بود که همیشه سایر فیزیکدانان، وقتی برای اولین بار اندیشه هایشان را مطرح می کردند، نیازمند تشویق و ترغیب وی بودند. با این حال، فرضیه نوترینو چنان گستاخانه می نمود که این بار پائولی برای مطرح کردن آن نیاز به تشویق و حمایت داشت.
پائولی این فرضیه را “یک راه حل مایوسانه” برای پارادوکس یا قضیه مهمل نمایی که در جریان مطالعه واپاشی بنا پیش آمده بود نام گذاشت. واپاشی بتا نوعی پرتوزایی است که در آن یک هسته ناپایدار، یک الکترون از خود گسیل می کند. در این فرایند، هسته اصلی با از دست دادن مقداری کارمایه (انرژی) به یک هسته کوچکتر تبدیل می شود. یک محاسبه ساده بر اساس پایستگی انرژی و تکانه نشان می دهد که اگر هسته پرتوزا فقط به دو ذره دیگر (یک هسته جدید و یک الکترون) تبدیل شود، فقط یک راه وجود دارد که در آن دو ذره جدید، می توانند در انرژی آزاد شده شریک شوند. چون در فرایند واپاشی هر نوع هسته بخصوص، همواره مقدار یکسانی انرژی آزاد می شود، الکترون باید همیشه با مقدار یکسانی انرژی از هسته خارج شود. اما طبق اندازه گیری هایی که در سالهای دهه 1920 انجام شد، الکترون با گستره کاملی از انرژی های مختلف از هسته خارج می شود. این بحران انرژی، نظریه پرداز معروفی چون نیلس بور را برآن داشت اعلام کند قانون طلایی پایستگی انرژیی در سطح هسته نقض می شود، و این همان اندیشه ای بود که پائولی به شدت در مقابل آن ایستاده بود.
پائولی در پاسخ نامه ای از بور به تاریخ ژوییه سال 1929 نوشت: “باید بگویم که (نامه مربوط به پرتوهای بتا) مرا قانع نکرد … ما در واقع نمی دانیم قضیه از چه قرار است … به هر تقدیر خوب است این یادداشت را برای همیشه بایگانی کنید.1” (پائولی همیشه برای تفهیم نظریاتش زیر بعضی عبارات در نامه هایش خط می کشید). اما پائولی مشکلات مربوط به واپاشی بتا را به بررسی گرفت، و به جای رها کردن قانون پایستگی انرژی ناگهان “راه حل مایوسانه” خود را پیش نهاد: یعنی شریک سومی را برای این واکنش معرفی کرد. اگر هسته پرتوزا، به جای دو ذره به سه ذره واپاشیده شود، آن گاه سه ذره باید به طرق مختلفی در انرژی آزاد شده شریک شوند، و از این رو الکترون می تواند با یک گستره انرژی، درست همان طور که مشاهده می شود از هسته بیرون رود. وی در آن نامه برای همکارانش در جلسه توبینگن توضیح داد که قدرت نفوذ ذره جدید، که آن را “نوترون” نامید، باید خیلی زیاد و جرم آن خیلی کم باشد، وگرنه تاکنون خود را به نحوی نمایان می کرد.
جنبه تهورآمیز این نامه توضیح خواص ذره جدید نبود، بلکه پیشنهاد وجود خود این ذره بود که بسیار گستاخانه می نمود. در آن زمان فیزیکدان پروتون، الکترون و فوتون (ذرات نور) را می شناختند، ذره ای که ما اکنون آن را نوترون می نامیم هنوز کشف نشده بود، تعجبی ندارد که پائولی در آن نامه نوشته باشد: “من فعلا جرئت نمی کنم چیزی درباره این این اندیشه منتشر کنم، و به طور خصوصی از شما پرتوزاهای عزیز می پرسم که که برای استدلال تجربی در مورد چنین ذره ای چکار می توان کرد.” در واقع، پائولی هرگز فرضیه اش را منتشر نکرد، اما برای اولین بار در ژوییه 1931 در جلسه تشکیل شده در پاسادنا آن را پیش نهاد که در نشریه نیویورک تایمز انعکاس یافت. سه ماه بعد اندیشه اش را به طور خصوصی در رم با انریکو فرمی فیزیکدان ایتالیایی، در میان گذاشت. فرمی فورا پذیرفت و آن “نوترینو” (یا خنثی کوچک) نام نهاد. اما مهمتر از همه این بود که وی در سال 1933 این ذره را یکی از ارکان اساسی نظریه واپاشی بتا قرار داد، نظریه ای که تا 65 سال بعد بدون رقیب باقی ماند. در سال 1932 جیمز چدویک نوترینو را کشف کرده بود، و فرمی توانست واپاشی بتا را بر حسب نوترونی که به پروتون تبدیل می شود و یک الکترون و یک نوترینو گسیل می کند، توصیف کند.
فرمی ذره پائولی را نامگذاری کرده و نشان لیاقت را به سینه او چسبانده بود. اما این احساس باقی بود که تا وقتی کسی نوترینو را کشف نکند، در واقع موجودیت آن معتبر نیست. کمی بعد از انتشار نظریه فرمی، هانس بته و رودولف پایرلس محاسبه کرده بودند که ذره جدید به سختی می تواند با چیزی برهم کنش داشته باشد. نتایج محاسبات آنها نشان می داد که، نوترینو می تواند برای چندین سال نوری در داخل ماده حرکت کند بدون آنکه با چیزی بر هم کنش داشته باشد، نتیجه ای که کسی جرئت نمی کرد که آن را محک آزمون بگذارد. اما در سال 1952 دو نفر با سودای انجام این آزمایش به نظر ناممکن پا پیش نهادند. این دو نفر عبارت بودند از فرد راینز و کلاید کوون، که در آزمایشگاه لوس آلاموس در نیومکزیکو کار می کردند (همان آزمایشگاهی که سالهای آخر جنگ جهانی دوم در آنجا بمب اتمی ساخته شد). اندیشه آنها در اساس ساده بود. طبق نظر ایشان مسافت به اصطلاح فوق العاده زیادی که در نوترینو طی می کند قبل از اینکه با چیزی که بر هم کنش داشته باشد، در واقع متوسط چندین مسافت است، بعضی نوترینوها پس از طی یک مسافت کوتاهتر بر هم کنش می می کنند و بعضی پس از یک مسافت طولانیتر.
از میان تعداد بیشمار نوترینوها که از واکنش های هسته ای حاصل از بمب اتمی گسیل می شوند چند تایی با آشکارسازی که به فاصله کوتاهی در نزدیکی محل انفجار قرار داد بر هم کنش می کنند. راینز و کوون بر آن شدند تا نوترینوهایی را گه از طریق فرایندی به نام واپاشی معکوس بتا بر هم کنش می کنند، مشاهده کنند. در این فرایند، نوترینو ضمن بر هم کنش با پروتون، یک نوترون و یک پاد الکترون (یا پوزیترون) تولید می کند. آنها امیدوار بودند که با قرار دادن یک آشکار ساز متشکل از یک سوسوزن مایع، که در فاصله 45 متری از محل انفجار قرار داشت.، پوزیترونهای حاصل از واکنش نوترینوها را آشکار کنند. پوزیترونها در آشکار ساز با الکترونها نابود می شوند و پرتو گاما تولید می کنند، و پرتوهای گاما به نوبه خود باعث می شوند که مایع سوسوزن درخشانهای کوتاهی از نور تولید کند. لامپهای حساس به نور این درخشهای کوتاه را آشکار می کنند.
یک آزمایش عجیب و غریب
طرح بسیار متهورانه بود. راینز تقریبا سی سال بعد در این باره گفت: “این فکر که یک چنین وسیله حساسی بتواند در نزدیکی یک انفجار وحشتناک کار کند، تا حدودی عجیب می نمود، ولی ما با بمبها کار کرده بودیم، و احساس کردیم که می توانیم یک سیستم مناسب طراحی کنیم.” وانگهی کسی چون فرمی، رایز و کوون را در این راه تشویق نکرد. با وجود این آنها این آزمایش را انجام ندادند. در عوض، متوجه شدند که می توانند آزمایش خود را با نوترینوی حاصل از رآکتور اتمی انجام بدهند. گرچه رآکتور هر یک زمان کوتاه خیلی کمتر از بمب نوترینو تولید می کند، راینز و کوون توانستند، با یک شده چند بر هم کنش اساسی را آشکار کنند. نوترونها با واپاشی بتا مستقیما خود را نمایان نمی سازند، هر نوترون قبل از اینکه توسط یک هسته گیر بیفتد، برای مدت 5 میکرو ثانیه به صورت سرگردان در مایع حرکت می کند. هسته پس از گیراندازی برانگیخته می شود و پرتوهای گاما گسیل می کند و پرتوهای گاما نیز به نوبه خود درخشهایی در سوسوزن تولید می کنند. اما این درخشها 5 میکرو ثانیه پس از نابودی پوزیترون خارج می شوند. تدبیر حساب شده راینز و کوون این بود که سیگنالهایی از سوزون را جستجو کنند که با یک فاصله زمانی ویژه از هم جدا شده باشند.
راینز و کوون سرانجام از یک آشکارساز به بلندی 2 متر و به وزن 10 تن استفاده کردند. این آشکارساز حاوی 4200 لیتر مایه سوسوزن در سه تانک یا مخزن مجزا بود. دو مخزن آب دیگر، حاوی کادمیوم، به خاطر گیراندازی نوترونها، در میان مخزنهای مایه سوسوزن قرار داشت، این مخزنها “هدفهایی” برای نوترونهای گسیل شده از رآکتور به شمار می رفتند. راینز و کوون و همکاران آنها این آشکارساز را در رآکتوری واقع در نیروگاه رودخانه ساوانا، در کارولینای جنوبی، برای مدت 100 روز در طول یک سال قرار دادند. طی هر ساعتی که آشکارساز روشن بود، آنها در حدود 5 زوج علامت با تأخیر مناسب مشاهده می کردند. کار خیلی سخت بود، اما کوون و راینز پشتکار لازم را از خود نشان دادندو تا تابستان 1956 اطمینان حاصل کردند که نوترینوها را آشکار کرده اند. در چهاردهم ژوئن همان سال، تلگرامی به مضمون زیر به پائولی مخابره کردند: “با خوشحالی به اطلاع شما می رسانیم که با مشاهده واپاشی معکوس بتای پروتونها، ما به طور قطع و یقین نوترینوهای حاصل از پاره های شکافت را آشکارسازی کردیم. ” با این نتیجه، “راه حل مایوسانه” پائولی اعتبار یافت. اکنون می دانیم که نوترینوی فرضی پائولی که راینز و کوون آن را آشکارسازی کردند، تنها یکی از سه نوع نوترینوهای سبک وزن موجود است. با وجود این، هنوز خیلی چیزها را درباره این نوترینوها نمی دانیم. مثلا نمی دانیم جرم آن چقدر است، آیا جرم آن صفر است، یا آنقدر کوچک است که وسایل اندازه گیری کنونی نمی تواند آن را اندازه بگیرند؟ آیا در بعضی شرایط، نوترینوها از یک نوع به نوع دیگر تبدیل می شوند؟ آیا نوترینوها و پادنوترینوها ذره های متمایزی هستند.
اما این بی اطلاعی مانع از آن شد که فیزیکدانان از نوترینوها برای مطالعه سایر ذره ها استفاده کنند. از همان اوایل سالهای دهه 1960، آزمایشگرانی که روی شتابدهنده های ذره کار می کردند، نتوانستند باریکه های پرانرژیی از نوترینوها تولید کنند. آنها از این نوترینوها نه تنها برای تحقیق رفتار نیروی ضعیف، بلکه همچنین برای کاویدن اعماق ماده استفاده کردند. جالب توجه اینجاست که این ذره ها که آشکارسازی آنها خیلی دشوار است، در کشف کوارکهای موجود در داخل پروتونها، نوترونها، و سایر ذره های کمتر آشنا و کوته عمر، موثر واقع شدند. در این آزمایشها تلاش برای “کشف چیزهای غیر قابل آشکار سازی” ذهن بسیاری از فیزیکدانان متهور را به خود مشغول کرد. اما شاید یکی از قابل توجه ترین ویژگیهای نوترینو، جاذبه فوق العاده زیاد آن است. با وجود اینکه میلیاردها نوترینو از بدن هر کس عبور می کند، شصت سال پیش فقط یک نفر (پائولی) مختصر اطلاعی درباره آن داشت. درست همانطور که واکنشهای هسته ای دو بمب اتمی و رآکتور هسته ای انبوهی نوترینو آزاد می کنند، واکنش های هسته ای تامین کنندهٔ سوخت ستارگان و مخصوصا خورشید نیز نوترینو آزاد می کنند.
اکنون بعد از دو دهه که نوترینوهای پرانرژی به عنوان ابزاری در قیزیک ذرات به کار می رفتند، راستای این تأکید دوباره عوض شده است. بسیاری از فیزیکدانان، روی آزمایشهایی کار می کنند که هدف آنها آشکارسازی نوترینوها از فضای خارج و مطالعه پیامهایی است که با خود می آورند. یک آشکارساز نوترینوی کیهانی، که در مراحل ابتدایی طراحی است، آشکارساز نوترینو و موئون واقع در عمق آب است. این طرح که راینز و چندین نفر از همکارانش در اوایل سالهای دهه 1970 نقشه آن را ریخته اند، از آب اقیانوس برای آشکحارسازی نوترینوهای فضای خارج استفاده خواهد کرد. در اعماق آب ساحل هاوایی، حدود 4000 متر زیر سطح آب، لوله های نوری بزرگی انتظار درخشهای کوچک نور ناشی از ذراتی به نام موئون را خواهند کشید. هر موئونی که در اقیانوس به طرف بالا حرکت کند، حاصل نوترینوهایی است که از سوی مقابل وارد کرهٔ زمین شده و آن را تا محل آشکارساز پیموده اند. خود زمین هم “هدفی” برای این نوترینوهای گمراه کننده به شمار خواهد رفت.
هدف از طرح این آشکارساز این است که بعضی چشمه های کیهانی نوترینوهای پرانرژی را شناسایی کنند، چشمه هایی که به احتمال زیاد منشا بسیاری از تابشهای کیهانی پرانرژی نیز خواهند بود. ضمنا، ایگور ژلزنیخ و سایر محققان موسسه پژوهشهای هسته ای مسکو، در صدد یافتن احتمال آشکارسازی بهمنهایی از ذره های باردار حاصل از نوترینوهای کیهانی پرانرژی در یخ شمالگان هستند. در این طرح، باید با آنتهای حساس رادیویی به صدای سیگنالی در طول موجهای رادیویی، که بر اثر حرکت ذره های باردار در داخل یخ تولید می شوند، گوش فرا دهند. اندیشه بلندپروازانه تر این گروه، استفاده از ماه به عنوان یک هدف برای نوترینوهای پرانرژی در یک پروژه با عنوان آشکارساز رادیویی هادرون و نوترینو است. اکنون که 30 سال از تولد نوترینو می گذرد، این ذره های عجیب هنوز قدرت تفکر و ابتکار فیزیکدانان را به مبارزه می طلبند. حییم حراری، نظریه پرداز در این باره می گوید: “فیزیک نوترینو اساس هنر فراگیری مطالب خیلی زیادی با مشاهده هیچ است. در طول 60 سال، ما مطالب بسیار زیادی از تقریبا هیچ آموخته ایم.”
نوشته کریستین ساتن ترجمه جهانشاه میرزابیگی – مجله دانشمند دهه 60
