این نخستین بار در تاریخ علم است که چنین واکنش هستهای نادری، که بهطور مستقیم توسط نوترینوها میانجیگری میشود، بهطور تجربی ثبت و مشاهده شده است. کشفی که نشان میدهد حتی گریزانترین و ناملموسترین ذرات شناختهشدهی جهان نیز میتوانند، بیصدا و آرام، ساختار ماده را دگرگون کنند؛ آن هم در دل تاریکیهای زیرزمینی، بسیار دور از دنیای پرجنبوجوش سطح زمین.
کریستین کراوس، فیزیکدان آزمایشگاه SNOLAB در کانادا، جایی که این آشکارسازی انجام شده، دربارهی اهمیت این کشف میگوید:
«این دستاورد از فراوانی طبیعی ایزوتوپ کربن-۱۳ در مایع سوسوزنِ (اسکینتیلاتور) آزمایش استفاده میکند تا یک برهمکنش خاص و بسیار نادر را اندازهگیری کند. تا آنجا که میدانیم، این نتایج کمانرژیترین مشاهدهی برهمکنش نوترینو با هستههای کربن-۱۳ تاکنون است و همچنین نخستین اندازهگیری مستقیم سطح مقطع (cross-section) این واکنش هستهای مشخص، که به حالت پایهی هستهی نیتروژن-۱۳ منتهی میشود، به شمار میآید.»
نوترینوهایی که در قلب خورشید متولد میشوند، بهطور پیوسته در حال عبور از زمین هستند. هر ثانیه، میلیاردها نوترینوی خورشیدی بدون هیچ مانعی از بدن ما، از زمین و حتی از سیارههای دیگر میگذرند، بیآنکه اثری محسوس بر جای بگذارند. انرژی این نوترینوها در بازهای مشخص و شناختهشده قرار دارد؛ ویژگیای که آنها را از نوترینوهای جوی یا اخترفیزیکی متمایز میکند. نوترینوهای جوی و کیهانی معمولاً انرژی بسیار بالاتری دارند و در عین حال بسیار نادرترند.
در عمق حدود دو کیلومتری (معادل ۱٫۲۴ مایل) زیر سطح زمین، جایی که آشکارساز SNO+ در آزمایشگاه SNOLAB قرار دارد، تقریباً تمام رویدادهایی که در این بازهی انرژی ثبت میشوند، منشأ خورشیدی دارند. این عمق زیاد، نقش سپری طبیعی را ایفا میکند که آشکارساز را از نویزهای مزاحم پرتوهای کیهانی و دیگر ذرات پرانرژی محافظت میکند.
تیم پژوهشی، به سرپرستی گالیور میلتون، فیزیکدان دانشگاه آکسفورد در بریتانیا، دادههای ثبتشده توسط آشکارساز SNO+ را با دقتی مثالزدنی بررسی کرد. این دادهها در بازهی زمانی ۴ مه ۲۰۲۲ تا ۲۹ ژوئن ۲۰۲۳ جمعآوری شده بودند. هدف آنها یافتن یک امضای بسیار خاص بود: نشانهای واضح که نشان دهد یک نوترینو با هستهی کربن-۱۳ موجود در مایع سوسوزن آشکارساز برهمکنش داشته است.
برای درک این فرایند، باید نگاهی دقیقتر به آنچه در مقیاس زیراتمی رخ میدهد بیندازیم. زمانی که یک نوترینوی الکترونی خورشیدی به هستهی یک اتم کربن-۱۳ برخورد میکند، این برخورد دو پیامد همزمان دارد. نخست آنکه یک الکترون، ذرهای با بار الکتریکی منفی، تولید میشود. این اتفاق زمانی رخ میدهد که هستهی اتم نوترینو را جذب میکند.
هستهی اتم کربن-۱۳ از ۱۳ ذرهی بنیادی تشکیل شده است: شش پروتون با بار مثبت و هفت نوترون بدون بار الکتریکی. برهمکنش ضعیفی که توسط نوترینو آغاز میشود، باعث میگردد یکی از این نوترونها به پروتون تبدیل شود و همزمان یک الکترون آزاد گردد.
با افزایش تعداد پروتونها از شش به هفت، این اتم دیگر کربن نیست. اکنون با اتمی جدید روبهرو هستیم: نیتروژن-۱۳، که هفت پروتون و شش نوترون دارد. به بیان دیگر، نوترینو باعث دگرگونی هستهای یا همان «کیمیاگری هستهای» شده است؛ فرایندی که در آن یک عنصر شیمیایی به عنصر دیگری تبدیل میشود.
اما داستان در همینجا پایان نمییابد. حدود ۱۰ دقیقه بعد، هستهی نیتروژن-۱۳ که یک ایزوتوپ رادیواکتیو و ناپایدار است، دچار واپاشی میشود. نیمهعمر این ایزوتوپ، همانطور که حدس میزنید، تقریباً ۱۰ دقیقه است. در جریان این واپاشی، ذرهای به نام پادالکترون یا پوزیترون (همتای ضدمادهای الکترون) گسیل میشود.
این توالی رویدادها – نخست تولید یک الکترون و سپس، با تأخیری مشخص، تولید یک پوزیترون – یک امضای بسیار متمایز ایجاد میکند که در فیزیک آشکارسازی ذرات به آن «همزمانی تأخیری» (Delayed Coincidence) گفته میشود. در عمل، پژوهشگران میتوانند بهدنبال ثبت یک جرقهی نوری ناشی از الکترون باشند و سپس حدود ۱۰ دقیقه بعد، جرقهی دوم را که مربوط به پوزیترون است، مشاهده کنند. این الگوی دو مرحلهای، نشانهای قاطع از تبدیل کربن-۱۳ به نیتروژن-۱۳ توسط نوترینو است.
از مجموع ۲۳۱ روز دادهی رصدی، پژوهشگران توانستند ۶۰ رویداد نامزد را شناسایی کنند که با این الگو همخوانی داشت. پس از آن، این دادهها وارد مدلهای آماری دقیق شدند. نتیجهی تحلیل آماری نشان داد که حدود ۵٫۶ رویداد از اینها بهطور واقعی ناشی از تبدیل نوترینویی کربن به نیتروژن بودهاند. این عدد به طرز شگفتانگیزی به پیشبینی نظری پژوهشگران نزدیک است؛ آنها انتظار داشتند حدود ۴٫۷ رویداد مشاهده کنند.
میلتون دربارهی این موفقیت میگوید:
«ثبت این برهمکنش، دستاوردی خارقالعاده است. با وجود نادر بودن ایزوتوپ کربن-۱۳، ما توانستیم تعامل آن را با نوترینوهایی مشاهده کنیم که در هستهی خورشید متولد شدهاند و مسافتی عظیم را طی کردهاند تا به آشکارساز ما برسند.»
این نتیجه از چند جهت هیجانانگیز است. نخست آنکه تأیید پیشبینیهای نظری همواره برای دانشمندان لذتبخش است، زیرا نشان میدهد درک ما از قوانین بنیادین طبیعت در مسیر درستی قرار دارد. دوم آنکه این آزمایش، اندازهگیری تازهای از احتمال وقوع این واکنش خاص نوترینو–کربن در انرژیهای پایین ارائه میدهد. این اندازهگیری، بهعنوان یک معیار مرجع جدید در فیزیک هستهای، میتواند در مطالعات آینده بسیار ارزشمند باشد.
استیون بیلر، فیزیکدان دانشگاه آکسفورد، در این باره میگوید:
«نوترینوهای خورشیدی سالهاست که موضوعی جذاب برای پژوهش هستند. اندازهگیریهای انجامشده توسط آزمایش پیشین ما، یعنی SNO، نقش مهمی در پیشرفت این حوزه داشت و در نهایت به جایزهی نوبل فیزیک ۲۰۱۵ انجامید.»
او ادامه میدهد:
«شگفتانگیز است که درک ما از نوترینوهای خورشیدی تا این حد پیشرفت کرده که اکنون میتوانیم برای نخستین بار از آنها بهعنوان یک نوع «پرتو آزمایشی» استفاده کنیم؛ ابزاری برای مطالعهی گونههای دیگری از واکنشهای نادر اتمی.»
در واقع، این کشف نشان میدهد نوترینوها دیگر صرفاً ذراتی مرموز برای مطالعهی خودشان نیستند، بلکه میتوانند به ابزاری دقیق برای کاوش در فیزیک هستهای، اخترفیزیک و حتی فیزیک فراتر از مدل استاندارد تبدیل شوند. نوترینوهایی که در دل خورشید زاده میشوند، پس از سفری ۱۵۰ میلیون کیلومتری، در اعماق زمین ردپایی ظریف اما قابلتشخیص از خود به جا میگذارند؛ ردپایی که از دگرگونی اتمها حکایت دارد.
این دستاورد همچنین نشان میدهد که چگونه فناوریهای آشکارسازی مدرن، همراه با تحلیلهای آماری پیشرفته، به دانشمندان اجازه میدهند پدیدههایی را مشاهده کنند که تا همین چند دهه پیش، صرفاً در حد پیشبینیهای نظری باقی مانده بودند. مشاهدهی مستقیم یک واکنش نوترینویی کمانرژی روی کربن-۱۳، گامی مهم در مسیر پیوند میان فیزیک ذرات، فیزیک هستهای و اخترفیزیک به شمار میرود.
در نهایت، این کشف نهتنها پنجرهای تازه به درک رفتار نوترینوها میگشاید، بلکه یادآور این نکته است که حتی در سکوت و تاریکی اعماق زمین، فرآیندهایی بنیادین در جریاناند که به ما کمک میکنند جهان را در بنیادیترین سطح ممکن بشناسیم؛ جهانی که در آن، ذرات شبحگونهی خورشید میتوانند بهآرامی اتمها را دگرگون کنند و داستانی تازه از کیمیاگری کیهانی روایت نمایند.
