بتازگی یک پیشرفت بزرگ در فیزیک ذره‌ای و در برخورد دهنده هادرونی بزرگ (LHC) به دست آمده است. برای اولین‌بار، نوترینوهای داوطلبی کشف شدند، که می‌توانند در هر برخورد دهنده ذره‌ای دیگر نیز شناسایی شوند.
به گزارش بیگ بنگ، شش برهمکنش نوترینو که با استفاده از آشکارساز فرعی FASERnu کشف شدند، نه تنها نشان می‌دهند که این تکنولوژی امکانپذیر است، بلکه مسیر جدیدی را برای مطالعه‌ی این ذرات اسرارآمیز به ویژه در انرژی‌های بالا معرفی می‌کند. فیزیکدان “جاناتان فِنگ” یکی از مسئولان گروه مشارکت FASER از دانشگاه کالیفرنیا ارواین گفت: «قبل از این پروژه، هیچ وقت نشانه‌ای از نوترینوها در یک برخورد دهنده ذره‌ای کشف نشده بود. این پیشرفت چشمگیر گامی به سوی درک عمیق‌تری از این ذرات گریزان و نقش آنها در کیهان می‌باشد.»
نوترینوها در حقیقت در همه جا حضور دارند. آنها یکی از فراوان‌ترین ذرات زیراتمی در کیهان هستند، اما فاقد بار هستند و جرم آنها تقریباً صفر است. اگرچه آنها تقریباً با سرعت نور در کیهان حرکت می‌کنند، اما به ندرت با چیزی برهمکنش دارند. میلیاردها نوترینو همین حالا در حال عبور از بدن شما هستند. برای یک نوترینو، بقیه‌ی کیهان اساساً غیرمادی هستند، به همین دلیل به آنها “ذرات شبح‌مانند” نیز می‌گویند.
اگرچه این ذرات به ندرت برهمکنش دارند، اما این به معنی هرگز نیست. آشکارسازهایی مثل آیس کیوب در قطب جنوب، سوپر کامیوکانده در ژاپن و MiniBooNE در آزمایشگاه فِرمی در امریکا از آرایه‌های نوری حساس استفاده می‌کنند؛ این آرایه‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که می‌توانند بارش‌های نوری ناشی از برهمکنش یک نوترینو با ذرات دیگر را در یک محیط کاملاً تاریک تشخیص دهند.
اما برای مدت طولانی، دانشمندان می‌خواستند نوترینوهای تولید شده در برخورد دهنده‌های ذره‌ای را نیز مطالعه کنند، زیرا نوترینوهای برخورد دهنده که عمدتاً از فروپاشی هاردون ظاهر می‌شوند دارای انرژی‌های بسیار بالایی هستند که به خوبی مورد بررسی قرار نمی‌گیرند. کشف نوترینوها در برخورد دهنده، باعث دسترسی به انرژی‌ها و انواع نوترینوهایی می‌شوند که به ندرت در مکان‌های دیگر دیده می‌شوند.
FASERnu به آشکارساز امولسیونی معروف است. صفحات سرب و تنگستن یکی در میان در لایه‌های امولسیون قرار می‌گیرند: در حین آزمایشات ذره‌ای در شتاب دهنده، نوترینوها می‌توانند با هسته‌هایی در صفحات سرب و تنگستن برهمکنش داشته باشند و ذراتی را تولید کنند که ردهایی را از خود در لایه‌های امولسیون به جا می‌گذارند، این کمی شبیه رد پرتوهای یونیزان در یک محفظه ابری است.
صفحات باید شبیه فیلم عکاسی توسعه داده شوند. سپس، فیزیکدانان می‌توانند رد ذرات را تجزیه و تحلیل کنند تا ببینند چه چیزی آنها را ایجاد کرده است؛ چه نوترینو بوده باشد، چه از نوع یا طعم نوترینو. سه طعم نوترینو وجود دارد – الکترون، میون و تائو – بعلاوه‌ی همتایان پاد نوترینوی آنها.
در آزمایش FASERnu که در سال ۲۰۱۸ انجام شد، شش برهمکنش نوترینوی داوطلب در لایه‌های امولسیون ثبت شدند. با توجه به اینکه چند ذره در شتاب دهنده تولید می‌شود، ممکن است این مقدار زیاد به نظر نرسد، اما دو اطلاعات حیاتی به محققان داد. “فنگ” گفت: «اول اینکه، تأیید کرد که موقعیتِ رو به جلوی نقطه تعاملِ اطلس در شتاب دهنده، مکان مناسبی برای تشخیص نوترینوها است. دوم اینکه، تلاش‌های ما اثربخشیِ استفاده از یک “آشکارساز امولسیونی” برای مشاهدۀ این نوع برهمکنش‌های نوترینو را ثابت کرد.»
آشکارساز آزمایشی دستگاه نسبتاً کوچکی با وزن تقریبی ۲۹ کیلوگرم بود. این تیم در حال حاضر بر روی نسخه کاملی با وزن تقریبی ۱۱۰۰ کیلوگرم کار می‌کند. این ابزار جدید به شدت حساس‌تر خواهد بود و به محققان کمک می‌کند تا بین طعم‌های نوترینو و همتایان پادنوترینوی آنها تمایز قائل شوند.
فیزیکدانان انتظار دارند در سومین اجرای برخورد دهنده بزرگ هاردون، ۲۰۰ میلیارد نوترینوی الکترون، ۶ تریلیون نوترینوی میون و ۹ میلیارد نوترینوی تاو و پادنوترینوهای آنها را تولید کنند. از آنجایی که ما تا به امروز مجموعاً فقط حدود ۱۰ نوترینوی تائو را ردیابی کرده‌ایم، این کار بسیار بزرگی است.
همچنین این همکاری طعمه‌های گریزان‌تری را دنبال می‌کند. آنها امیدوارند “فوتون‌های تاریک” را کشف نمایند، که در حال حاضر فرضی هستند، اما می‌توانند ماهیت ماده تاریک را آشکار کنند. “ماده تاریک” همان جرم مرموز و غیرقابل شناسایی است که بیشتر جرم در کیهان را تشکیل می‌دهد. اما کشف نوترینوها به تنهایی مرحله‌ای به شدت هیجان‌انگیز برای درک اجزای بنیادی کیهان است.
“دیوید کسپر” فیزیکدان و اخترشناس دانشگاه کالیفرنیا و یکی از مسئولان پروژه FASER گفت: «با توجه به قدرت آشکارساز جدید ما و مکان اصلی آن در سرن، انتظار داریم بیش از ۱۰ هزار برهمکنش نوترینویی را در راه‌اندازی بعدی شتاب دهنده در سال ۲۰۲۲ ثبت کنیم. ما پرانرژی‌ترین نوترینوهایی که تاکنون از یک منبع ساخته‌ی انسان تولید شده‌اند را کشف خواهیم کرد.» جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review D منتشر شده است.
منبع: سایت علمی بیگ بنگ