این نخستینبار است که چنین واکنش هستهای نادر و وابسته به نوترینو دیده میشود؛ واکنشی که نشان میدهد چگونه عجیبترین و گریزانترین ذرات در جهان میتوانند در سکوت و تاریکی اعماق زمین، بیآنکه حس شوند، ماده را دگرگون کنند.
“کریستین کراوس” فیزیکدان آزمایشگاه SNOLAB در کانادا، جایی که این کشف انجام شد، میگوید: «این کشف از فراوانی طبیعی کربن-۱۳ در مایع سینتیلاتور آزمایش استفاده میکند تا یک تعامل خاص و نادر را اندازهگیری کند. تا جایی که میدانیم، این نتایج کمانرژیترین مشاهدهٔ تعامل نوترینو با هستههای کربن-۱۳ تا به امروز است و نخستین اندازهگیری مستقیمِ سطح مقطع این واکنش خاص هستهای برای حالت پایهٔ هستهٔ نیتروژن-۱۳ به شمار میرود.»
نوترینوها از فراوانترین ذرات موجود در کیهان هستند. این ذرات در شرایط پرتلاطم مثل انفجار ابرنواخترها و واکنشهای همجوشی هستهای در قلب ستارگان ساخته میشوند، بنابراین تقریباً همهجا هستند. اما چون نوترینوها بار الکتریکی ندارند، جرمشان تقریباً صفر است و بهسختی با دیگر ذرات برهمکنش میکنند، صدها میلیارد نوترینو همین حالا از میان بدن شما عبور میکنند، بیآنکه کوچکترین اثری بگذارند. از همین رو به آنها «ذرات شبحوار» میگویند.
با این حال، گهگاه نوترینویی با ذرهای برخورد میکند — برخوردی که درخشش بسیار کمنوری ایجاد میکند و آبشاری از ذرات دیگر به همراه دارد. اما تشخیص این رخدادها در سطح زمین دشوار است، زیرا پرتوهای کیهانی و تابشهای پسزمینه این سیگنالهای ظریف را پنهان میکنند.
به همین دلیل، بهترین آشکارسازهای نوترینو در اعماق زمین ساخته میشوند، جایی که خود پوستهٔ زمین بهعنوان سپری در برابر تابش عمل میکند. در آنجا، محفظههای عظیم با آشکارسازهای نوری پوشیده شده و با مایع سینتیلاتور پر میشوند تا نور بسیار ضعیف ناشی از برهمکنشهای نادر نوترینو را در تاریکی مطلق تقویت کنند.
نوترینوهایی که در قلب خورشید ساخته میشوند، پیوسته از میان زمین عبور میکنند. انرژی آنها در دامنهای مشخص قرار دارد که باعث میشود بتوان آنها را از نوترینوهای جوی یا اخترفیزیکی—که انرژی بسیار بیشتری دارند و بسیار نادرترند—تشخیص داد. در عمق ۲ کیلومتری آشکارساز SNO+، تقریباً همهٔ رویدادهای این بازهٔ انرژی منشأ خورشیدی دارند.
تیمی به سرپرستی “گالیور میلتون” از دانشگاه آکسفورد، دادههای SNO+ جمعآوریشده بین ۴ مه ۲۰۲۲ تا ۲۹ ژوئن ۲۰۲۳ را بررسی کردند تا به دنبال سیگنال خاصی بگردند که نشاندهندهٔ برخورد نوترینو با کربن-۱۳ در مایع سینتیلاتور باشد. وقتی نوترینوی الکترونی خورشیدی با هستهٔ کربن-۱۳ برخورد میکند، دو اتفاق رخ میدهد. نخست، تولید یک الکترون است؛ ذرهای با بار منفی که هنگام جذب نوترینو توسط هسته پدید میآید.
در هستهٔ اتم کربن ۱۳ ذره وجود دارد: شش پروتون با بار مثبت و هفت نوترون بدون بار. برهمکنش ضعیف ناشی از نوترینو یکی از نوترونها را به پروتون تبدیل میکند و یک الکترون آزاد میشود. افزایش تعداد پروتونها از شش به هفت یعنی اتم دیگر کربن نیست، بلکه نیتروژن-۱۳ است؛ اتمی با هفت پروتون و شش نوترون.
حدود ده دقیقه بعد، نیتروژن-۱۳ — ایزوتوپی ناپایدار از نیتروژن با نیمهعمری برابر ده دقیقه، همانطور که احتمالاً حدس زدهاید — دچار واپاشی میشود و یک پوزیترون، یعنی پادالکترون، آزاد میکند. نتیجهٔ این فرایند از آغاز تا پایان یک جفت درخشش دو مرحلهای است که «تصادف تأخیری» نام دارد. دانشمندان با ثبت یک الکترون و سپس ده دقیقه بعد یک پوزیترون، میتوانند امضای تبدیل کربن-۱۳ به نیتروژن-۱۳ توسط نوترینوها را شناسایی کنند.
در ۲۳۱ روز دادهبرداری، پژوهشگران ۶۰ رویداد نامزد شناسایی کردند. مدل آماری آنها نشان داد که از این میان، حدود ۵٫۶ مورد واقعاً ناشی از تبدیل کربن به نیتروژن توسط نوترینو بوده است. این مقدار بسیار نزدیک به مقدار مورد انتظار یعنی ۴٫۷ رویداد است.
“میلتون” میگوید: «ثبت این اندرکنش دستاوردی خارقالعاده است. با وجود کمیابی ایزوتوپ کربن، توانستیم برهمکنش آن با نوترینوهایی را مشاهده کنیم که در مرکز خورشید به دنیا آمده و مسافتهای عظیمی را پیمودهاند تا به آشکارساز ما برسند.»
نتیجه هیجانانگیز است. تأیید پیشبینیهای نظری همیشه رضایتبخش است، زیرا نشان میدهد مسیر علمی درست انتخاب شده است. همچنین این دستاورد اندازهگیری تازهای از احتمال این واکنش کمانرژی بین نوترینو و کربن ارائه میدهد؛ معیاری جدید برای فیزیک هستهای که در مطالعات آینده نقش مهمی خواهد داشت.
“استیون بیلر” فیزیکدان دانشگاه آکسفورد، میگوید: «خود نوترینوهای خورشیدی سالها موضوعی جذاب برای پژوهش بودهاند و اندازهگیریهای انجامشده توسط آزمایش پیشین ما، SNO، در سال ۲۰۱۵ به دریافت جایزهٔ نوبل فیزیک انجامید. شگفتانگیز است که اکنون درک ما از نوترینوهای خورشیدی آنقدر پیشرفته شده که میتوانیم آنها را برای نخستینبار بهعنوان یک پرتابهٔ آزمایشی برای مطالعهٔ واکنشهای نادر هستهای دیگر به کار ببریم!» جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review Letters منتشر شده است.
