نوبل فیزیک امسال به فرانسیس هلزن (Francis Halzen)، معمار اصلی رصدخانه غول‌پیکر IceCube (آیس‌کیوب) در قطب جنوب اعطا شد.
به بهانه همین اتفاق این پست رو در خصوص نوترینو مینویسم.
برای درک ماجرا، موضوع را به زبان ساده و مرحله‌به‌مرحله به ۴ بخش تقسیم می‌کنیم:
۱. نوترینو چیست؟ (به زبان ساده)
جهان پر از ذرات بنیادی است. نوترینو یکی از مرموزترین و فراوان‌ترین ذرات در کیهان است که دانشمندان به آن «ذره شبح‌گون» (Ghost Particle) می‌گویند:
- تقریباً نامرئی و بی‌وزن است: بار الکتریکی ندارد (نه مثبت، نه منفی) و جرم آن نزدیک به صفر است.
- از همه‌چیز رد می‌شود: برعکس نور یا ذرات دیگر که به دیوار، گازها یا غبار برخورد می‌کنند و جذب یا منحرف می‌شوند، نوترینو با ماده تقریباً هیچ برهم‌کنشی ندارد. همین حالا در هر ثانیه حدود ۱۰۰ میلیارد نوترینو از نوک انگشت شما رد می‌شوند، از تمام کره زمین عبور می‌کنند و بدون آنکه حتی به یک اتم برخورد کنند، از آن طرف زمین خارج می‌شوند!
۲. شناختن نوترینوها چه کمکی به ما می‌کند؟
جهان پر از رویدادهای خشن و پرانرژی است؛ مثل انفجار ستاره‌ها (ابرنواخترها)، بلعیده شدن ماده توسط سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم یا پرتوهای سهمگین کیهانی.
مشکل اینجاست که:
- نور (فوتون‌ها): وقتی در اعماق یک سیاه‌چاله یا یک انفجار کیهانی تولید می‌شود، میان گازها و غبارهای فضایی گیر می‌افتد یا پراکنده می‌شود.
- میدان‌های مغناطیسی فضا: مسیر حرکت ذرات باردار دیگر (مثل پروتون‌ها) را کج می‌کنند؛ بنابراین وقتی به زمین می‌رسند، اصلاً معلوم نیست مبدأ و منبع آن‌ها کجا بوده است.
فایده نوترینو:
نوترینوها مثل «پیک‌های دست‌نخورده» هستند. از دل جهنم سیاه‌چاله‌ها و انفجارهای کیهانی فرار می‌کنند، میلیاردهای سال نوری را در یک خط مستقیم طی می‌کنند، بدون اینکه منحرف یا جذب شوند. بنابراین اگر بتوانیم آن‌ها را ردیابی کنیم، تصویری شفاف از درونی‌ترین و خشن‌ترین نقاط کیهان به دست می‌آوریم که با هیچ تلسکوپ نوری یا رادیویی دیگری قابل مشاهده نیست.
۳. تلسکوپی که با آن کار می‌کند چه تفاوتی دارد؟ (یک کیلومتر مکعب یخ!)
وقتی ذره‌ای به این راحتی از همه‌چیز عبور می‌کند، چطور می‌توان آن را با تلسکوپ دید؟ نمی‌توانید یک تلسکوپ عدسی‌دار به سمت آسمان بگیرید و نوترینو ببینید!
- ایده عجیب: برای به دام انداختن ذره‌ای که به سختی برخورد می‌کند، به یک «هدف» بسیار بزرگ و کاملاً شفاف نیاز است. دانشمندان تصمیم گرفتند از یک مکعب عظیم یخ با ابعاد ۱ کیلومتر در ۱ کیلومتر در ۱ کیلومتر در اعماق یخ‌های قطب جنوب استفاده کنند.
- چرا یخ قطب جنوب؟ در عمق ۱.۵ تا ۲.۵ کیلومتری زیر یخ‌های قطب جنوب، به دلیل فشار فوق‌العاده بالا، هیچ حبابی وجود ندارد و یخ از شیشه و کریستال هم شفاف‌تر و خالص‌تر است. همچنین تاریکی مطلق آنجا مانع ورود نورهای مزاحم می‌شود.
- نحوه کارکرد:۱. آن‌ها بیش از ۵۰۰۰ سنسور نوری بسیار حساس (مثل لامپ‌های غول‌پیکر کروی) را در دل یخ منجمد کردند.۲. وقتی میلیاردها نوترینو از زمین رد می‌شوند، به ندرت ممکن است یکی از آن‌ها به هسته یک اتم آب در یخ برخورد کند.۳. این برخورد یک ذره باردار فوق‌سریع تولید می‌کند که در یخ، نوری آبی‌رنگ و بسیار ضعیف (تابش چرنکوف – شبیه شکستن دیوار صوتی، اما برای نور) ساطع می‌کند.۴. سنسورها این ردِ نور آبی را ثبت می‌کنند و با تحلیل جهت نور، جهت و منبع فضایی نوترینو را با دقت مشخص می‌کنند.
جالب اینجاست که این تلسکوپ رو به پایین و از درون شکم کره زمین رصد می‌کند؛ چون زمین مثل یک فیلتر عمل می‌کند و تمام ذرات مزاحم دیگر را جذب می‌کند و فقط نوترینوها هستند که از کل سیاره رد می‌شوند و به یخ‌های قطب می‌رسند!
۴. این دانشمند (فرانسیس هلزن) دقیقاً چه کار کرده است؟
تا پیش از او، بسیاری از فیزیکدانان ایده ساختن تلسکوپی با ابعاد کیلومتری در قطب جنوب را یک رویا یا پروژه‌ای غیرممکن از نظر مهندسی و مالی می‌دانستند.
- هلزن نشان داد این کار شدنی است: او محاسبات تئوری را انجام داد و ثابت کرد که اگر ابعاد آشکارساز به اندازه ۱ کیلومتر مکعب باشد، احتمال ثبت نوترینوهای پرانرژی کیهانی قطعی است.
- رهبری پروژه: او پروژه آیس‌کیوب را راه‌اندازی و هدایت کرد؛ حفاری سوراخ‌هایی به عمق ۲.۵ کیلومتر با آب جوش در یخ‌های منجمد قطب جنوب و کابل‌کشی سنسورها کار فوق‌العاده دشواری بود.
- کشف نوترینوهای کهکشانی: در سال‌های گذشته، IceCube موفق شد برای نخستین بار نوترینوهایی با انرژی‌های باورنکردنی را ثبت کند که از ورای کهکشان ما (مثلاً از یک بلازار یا سیاه‌چاله در فاصله ۴ میلیارد سال نوری) آمده بودند. این کشف، شاخه کاملاً جدیدی در علم به نام «اخترشناسی نوترینو» (Neutrino Astronomy) پایه‌گذاری کرد.