قویترین نوترینویی که تاکنون توسط دانشمندان شناسایی شده است، پس از سفری فوقالعاده طولانی در اعماق فضا، در تاریخ ۱۳ فوریه ۲۰۲۳ به زمین رسید.
این ذره اسرارآمیز از اعماق کیهان به سوی سیاره ما حرکت کرده و سرانجام توسط آشکارساز نوترینوی KM3NeT/ARCA که در زیر آبهای دریای مدیترانه قرار دارد، ثبت شد. انرژی این نوترینو حدود ۲۲۰ پتاالکترونولت (PeV) اندازهگیری شده است؛ مقداری که آن را به پرانرژیترین نوترینوی کشفشده در تاریخ تبدیل میکند. برای درک بهتر این عدد، باید دانست که انرژی این ذره تقریباً ۳۰ برابر بیشتر از سایر نوترینوهای بسیار پرانرژی کشفشده و هزاران برابر بیشتر از انرژی ذراتی است که در آزمایشگاههای زمینی تولید میشوند.
نوترینوها که گاهی با عنوان «ذرات شبح» شناخته میشوند، دهههاست ذهن فیزیکدانان را به خود مشغول کردهاند. این ذرات تقریباً هیچ برهمکنشی با ماده ندارند و به همین دلیل شناسایی آنها بسیار دشوار است. از آنجا که نوترینوها میتوانند بدون برخورد مؤثر با ماده از میان سیارات، ستارگان و حتی بدن انسان عبور کنند، ردیابی منشأ آنها یکی از چالشهای بزرگ اخترفیزیک مدرن محسوب میشود. دانشمندان هنوز با اطمینان نمیدانند این نوترینوی فوقالعاده پرانرژی دقیقاً از کجا آمده و چه فرایندی آن را تولید کرده است.
جزئیات پژوهش علمی
نتایج این تحقیق در مجله علمی Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده است. تیم پژوهشی KM3NeT برای بررسی منشأ احتمالی این نوترینوی پرانرژی از ابزار شبیهسازی عمومی موسوم به Astro-Multimessenger Modelling استفاده کرد. این ابزار به پژوهشگران اجازه میدهد رفتار اجرام کیهانی مختلف را بر اساس دادههای واقعی شبیهسازی کنند و احتمال تولید نوترینو توسط آنها را ارزیابی نمایند.
در این مطالعه، پژوهشگری به نام Meriem Bendahman پارامترهای مختلفی را در مدلهای شبیهسازی تغییر داد. از جمله این پارامترها میتوان به نسبت انرژی پروتونها به الکترونها و همچنین نرخ شتابگیری ذرات اشاره کرد. هدف از این تغییرات آن بود که مشخص شود آیا اجرام خاصی به نام «بلازارها» میتوانند مسئول تولید چنین نوترینوهای عظیمی باشند یا خیر.
نتایج شبیهسازیها بسیار جالب توجه بود. پژوهشگران دریافتند که بلازارها میتوانند توضیح مناسبی برای منشأ این نوترینوی فوقالعاده پرانرژی باشند. در عین حال، مدلها نشان دادند میزان پرتوهای گامای تولیدشده توسط این اجرام از حدودی که پیشتر توسط تلسکوپ فضایی Fermi Large Area Telescope اندازهگیری شده بود، فراتر نمیرود. این موضوع باعث میشود فرضیه نقش بلازارها در تولید نوترینوهای پرانرژی منطقیتر به نظر برسد.
چرا نوترینوها «ذرات شبح» نامیده میشوند؟
نوترینوها از عجیبترین ذرات شناختهشده در طبیعت هستند. آنها فاقد بار الکتریکیاند، جرم بسیار ناچیزی دارند و بهندرت با سایر ذرات برهمکنش میکنند. همین ویژگیها باعث شده است که به آنها لقب «ذرات شبح» داده شود.
برای مثال، در هر ثانیه حدود ۱۰۰ تریلیون نوترینو از بدن هر انسان عبور میکند، بدون آنکه کوچکترین اثری از خود بر جای بگذارند. بیشتر این نوترینوها از خورشید میآیند، اما برخی از آنها از انفجار ستارگان، سیاهچالهها و دیگر پدیدههای پرانرژی کیهانی منشأ میگیرند.
از آنجا که نوترینوها تقریباً بدون مانع در سراسر جهان حرکت میکنند، اطلاعات بسیار ارزشمندی درباره رویدادهای دوردست کیهانی در خود حمل میکنند. در واقع، دانشمندان با مطالعه این ذرات میتوانند به مناطقی از جهان نگاه کنند که حتی نور نیز قادر به ارائه اطلاعات دقیق از آنها نیست.
انرژی فراتر از تصور
انرژی نوترینوی کشفشده برابر با ۲۲۰ پتاالکترونولت بوده است. برای درک عظمت این عدد، باید آن را با بزرگترین شتابدهنده ذرات جهان مقایسه کرد. شتابدهنده معروف Large Hadron Collider یا LHC که در سازمان CERN قرار دارد، قدرتمندترین دستگاه ساختهشده توسط بشر برای برخورد دادن ذرات است.
با این حال، انرژی این نوترینوی کیهانی حدود ۳۰ هزار برابر بیشتر از انرژی برخوردهایی است که در برخورددهنده بزرگ هادرونی تولید میشوند. این موضوع نشان میدهد که در گوشههایی از جهان، فرایندهایی رخ میدهند که بسیار قدرتمندتر از هر فناوری ساختهشده توسط انسان هستند.
بلازارها؛ کارخانههای عظیم تولید انرژی
یکی از محتملترین منشأهای این نوترینوی غولآسا، اجرامی به نام بلازار هستند. بلازارها در واقع نوعی هسته فعال کهکشانی محسوب میشوند که در مرکز آنها یک سیاهچاله فوقالعاده پرجرم قرار دارد.
این سیاهچالهها حجم عظیمی از گاز، غبار و ماده اطراف خود را میبلعند. بخشی از این ماده پیش از سقوط کامل به درون سیاهچاله، در قالب جتهای بسیار پرانرژی با سرعتی نزدیک به سرعت نور به فضا پرتاب میشود. هنگامی که یکی از این جتها مستقیماً به سمت زمین قرار داشته باشد، آن جرم را «بلازار» مینامند.
بلازارها از خشنترین و پرانرژیترین محیطهای شناختهشده در جهان هستند. میدانهای مغناطیسی قدرتمند، ذرات فوقسریع و انرژی عظیم موجود در این نواحی میتوانند شرایط لازم برای تولید نوترینوهای فوقالعاده پرانرژی را فراهم کنند.
اهمیت این کشف
کشف این نوترینوی رکوردشکن تنها یک رکورد جدید در دنیای فیزیک ذرات نیست؛ بلکه پنجرهای تازه به سوی شناخت جهان محسوب میشود. هر نوترینوی پرانرژی که از اعماق کیهان به زمین میرسد، میتواند اطلاعاتی ارزشمند درباره سیاهچالهها، انفجارهای عظیم کیهانی و فرایندهای ناشناخته فیزیکی در اختیار دانشمندان قرار دهد.
اگر تحقیقات آینده بتوانند ارتباط میان بلازارها و نوترینوهای فوقپرانرژی را با اطمینان بیشتری اثبات کنند، اخترفیزیکدانان خواهند توانست درک بهتری از نحوه شتابگیری ذرات در مقیاسهای کیهانی به دست آورند. این موضوع میتواند به حل برخی از بزرگترین معماهای فیزیک مدرن، از جمله منشأ پرتوهای کیهانی فوقپرانرژی، کمک کند.
در حال حاضر، این نوترینوی ۲۲۰ پتاالکترونولتی بهعنوان یکی از شگفتانگیزترین ذرات کشفشده شناخته میشود و مطالعه آن احتمالاً در سالهای آینده نیز ادامه خواهد داشت. دانشمندان امیدوارند که با توسعه آشکارسازهای پیشرفتهتر و جمعآوری دادههای بیشتر، بتوانند پرده از راز این پیامآوران خاموش کیهان بردارند و منشأ واقعی آنها را با دقت بیشتری مشخص کنند.
