اسرار نوترینو یکی از عجیب­ ترین ذرات کیهان

این ذرات به مقدار بسیار زیاد در واکنش­ های همجوشی هسته­ ای CNO (کربن- نیتروژن- اکسیژن) و زنجیرۀ پروتون-پروتون در خورشید تولید می­ شوند. این مسئله خورشید را به منبع مطالعاتی مناسبی برای نوترینوها تبدیل کرده است اما زمانی که در دهه­ ۱۹۶۰ میلادی، ما شروع به رصد فعالیت نوترینوها بر روی خورشید کردیم، معمایی به نام مسئله­ نوترینوی خورشیدی به وجود آمد. تا دهه­ ۱۹۹۰ پاسخی برای این مسئله یافته نشده بود. این پاسخ نشان داد که نوترینوها از آن چیزی که ما تصورش را می­ کردیم بسیار مرموزتر هستند.

مسئلۀ نوترینوی خورشیدی از اینجا نشات می­ گرفت که مقادیر نوترینوی رصد شده در خورشید، یک سوم چیزی بود که ما انتظارش را داشتیم. این بدین معنی بود که یا درک ما از همجوشی هسته ­ای ناقص است و یا مسئله­ مرموزی در مورد نوترینوها وجود داشت که ما از آن بی­ خبر بودیم. تقریبا همزمان با شروع رصد میزان نوترینوی خورشید توسط ما، محققان کشف کردند که الکترون دو ذره خواهر با نام­ های میون و تاو(لپتون­ ها) دارد که هر کدام یک پادذره نوترینو دارند. این بدین معنی است که نوترینوها سه دسته(نوع)هستند. سه نوع نوترینو و یک سوم مقدار نوترینوی منتظره(در خورشید) به نظر مشکوک می­ آمد و خبر از ارتباط این دو مسئله می­ داد.

از همان اول چند چیز مشخص بود. آشکارسازهای نوترینو قادر به رصد نوترینوی الکترون بودند بنابراین اگر خورشید میزان نوترینوی برآورد شده را، در سه نوع مختلف، تولید می­ کرد، معمای این مسئله حل شده بود اما خورشید قادر به تولید هر سه نوع نوترینو نیست زیرا واکنش ­های همجوشی در خورشید، تنها نوترینوی الکترون را تولید می­ کنند. تنها جواب معقول برای این مسئله، تبدیل نوترینوی الکترون به دیگر انواع آن بود اما طبق نظریه­ استاندارد فیزیک ذرات، نوترینوها بدون جرم هستند. این ذرات با سرعت نور در حال حرکت­ اند و ممکن نیست که بتوانند به انواع دیگر نوترینوها تبدیل شوند.

البته اگر نوترینوها جرم داشتند امکان تغییر نوع در آنها وجود داشت. اما کاشف به عمل آمد که جرم نوترینو، مشابه با جرمی نیست که ما با آن سر و کار داریم. در نظریه استاندارد ذرات، نوترینوها توسط نیروی الکتروضعیف کنترل می­ شوند که این نیرو، واحدسازی نیروی الکترومغناطیسی بارها، مغناطیس و نیروی هسته ­ای ضعیف(که فروپاشی رادیواکتیو را کنترل می­ کند) می­ باشد. نظریه الکتروضعیف یک نظریه کوانتومی است پس اصل عدم ­قطعیت نیز در این میان وجود دارد. بنابراین، شما می­ توانید جرم و یا نوع یک نوترینو را محاسبه کنید و نه هر دو را. این بدین معنی است که ما نمی­توانیم بگوییم نوع خاصی از الکترون، دارای جرم خاصی است.

به دلیل وجود سردرگمی کوانتومی میان جرم و نوع الکترون، ما همواره محدودیت دانستن همزمان هر دوی آنها را داریم. طبق نظریه ذرات، سه نوع جرم(حالت­ ویژه جرم) و سه نوع نوترینو(حالت­ ویژه نوع) وجود دارد. اگر ما نوع نوترینوی مورد نظر را بدانیم(الکترون، میون، تائو)، پس آن نوع از نوترینو، بر سه جرم برهم ­نهی دارد. اگر ما جرم یک نوترینو را بدانیم،پس بر سه نوع نوترینو برهم نهی دارد. چیزی که یک نوترینوی الکترون را از یک نوترینوی میون متمایز می­ کند، ترکیب کوانتومی سه جرم مختلف آن است. هر کدام از انواع نوترینوها، برهم­ نهی از سه حالت­ ویژه جرم می­باشد.

پس چطور نوترینوهایی با جرم مبهم کوانتومی می ­تواند مسئله­ نوترینوی خورشیدی را حل کند؟ کشفیات نشان می دهد که هر حالت ­ویژه جرم، سرعت متفاوتی دارد. در نظریه کوانتوم، هر حالت جرمی طول موج متفاوتی دارد پس با تغییر این حالت­­ ها، تداخل در موج­ های آنها ایجاد می­ شود. این پدیده را “نوسان نوترینو” می­ نامند. بنابراین، با حرکت یک نوترینوی الکترون در کیهان، این نوترینو بین حالات مختلف نوسان می­ کند و شانس رصد این الکترون به شکل میون یا تاو بیشتر و کمتر می­ شود.

در مقیاس کیهانی، فاصله میان خورشید و زمین بسیار اندک است و زمان زیادی برای تغییر حالت الکترون وجود ندارد. اما زمانی که نوترینو در ماده حرکت می­ کند، اثری به نام اثر MSW(اثر میخایف- اسمیرنوف- ولفنشتاین) اتفاق می­ افتد. زمانی که نوترینو در ماده حرکت می­ کند، سرعت نوترینو، مانند سرعت نور در برخورد با شیشه به دلیل ضریب شکست آن، تغییر می­ کند. این تغییر سرعت در هر نوع از نوترینوها متفاوت است و این مسئله، سرعت ترکیب­شدن نوترینوها را بالا می­ برد.(مشابه زمانی که یک منشور نور را پخش می­ کند) زمانی که نوترینوها به سطح خورشید می­ رسند، به مقادیر ثابتی از انواع مختلف خود تبدیل شده ­اند. بنابراین، تنها یک سوم نوترینوهایی که به سطح خورشید می­ رسند نوترینوی الکترون هستند که می ­تواند توضیحی برای رصد یک سوم مقدار منتظره­ باشد.

و بنابراین، مسئله­ نوترینوی خورشیدی حل شد. البته ممکن است بگویید که راه پیچیده ­ای برای توضیح نوترینوی خورشیدی انتخاب کرده­ ایم. ادعاهای بزرگ شواهد بزرگ می­ طلبند. پس چطور می­ توان با اطمینان گفت که نوترینوهای تغییر حالت­ دهنده و جرم­ های مبهم جواب واقعی هستند؟ جواب این سوال را در آینده خواهیم داد.