۵
خورشید را روشن کنید
"چند بار به شما گفته ام که وقتی غیرممکن ها را حذف می کنید، هر چه باقی می ماند، هر چند بعید باشد، باید درست باشد؟"
— شرلوک هلمز، نشانه چهار
مشکلی در کار خورشید وجود داشت.
شاید هسته ی آن به سرعت در حال چرخش بود که منجر به کاهش فشار و کاهش سرعت همجوشی می شد. شاید اصلاً بر اساس همجوشی کار نمی‌کرد، بلکه توسط یک سیاهچاله در مرکزش کار می‌کرد که ماده را می‌مکید و انرژی را به بیرون می‌فرستاد. بدتر از همه این بود که این احتمال وجود داشت که در حال اتمام ذخیره ی سوخت خود باشد. ممکن است هیدروژنی که برای چهار و نیم میلیارد سال مصرف کرده بود تمام شده باشد و شروع به زوال اجتناب ناپذیر خود به سوی مرگ ستاره ای بکند.
صرف‌نظر از علت آن، نشانه‌ها واضح بودند: تنها کسری از نوترینوهایی که باید از هسته خورشید ساطع شوند، از آن بیرون می آمدند.
در طول ۳۴ سال، از سال ۱۹۶۷، ری دیویس از آزمایشگاه ملی بروکهاون، آزمایشی را که در اعماق یک معدن طلای فعال در داکوتای جنوبی رهبری می کرد، بارها بررسی کرده بود. آزمایش درست کار می کرد و نوترینوها را همانطور که باید می شمرد. ولی آنها به مقداری نبودند که شریک نظریه‌پردازش، جان باکال، محاسبه کرده بود که ستاره‌ای مانند خورشید باید تولید کند. بلکه در حدود یک سوم آن چیزی بودند که باکال معتقد بود که تئوری پیش بینی می کند.
ستارگان، به نحو قابل ملاحظه ای برای نوترینوها شفاف هستند، و این به این معنی است که نوترینوهایی که دیویس پیدا می کرد، یک تصویر لحظه ای از واکنش های همجوشی خورشید از تقریبا هشت دقیقه قبل ارائه می کردند، تاخیری که به دلیل مدت زمان لازم برای رسیدن یک نوترینو به زمین است.
گرما و نوری که خورشید به بیرون می فرستد، صدها هزار سال پیش در هسته ی آن ایجاد شده است، سپس به سمت بیرون حرکت می کند تا اینکه به تاج می رسد، و سپس در فضا منتشر می شود. اگر واکنش‌هایی که انرژی خورشید را تامین می کنند مانند شمعی در باد چشمک می‌زدند، می‌توانستیم تقریباً بلافاصله، تغییر در خروجی نوترینوها را ببینیم، اما نور خورشید به طور یکنواخت برای حدود ۱۷۰۰۰۰ سال، قبل از اینکه نشانه‌ای از مشکل مشخص بشود، می‌تابد.
اینکه دقیقاً چه اتفاقی در خورشید می‌افتد یک راز بود، اما اختلاف بین شار نوترینوی مورد انتظار و اندازه‌گیری‌های دیویس، بیانگر این بود که شناخت ما از خورشید، یا از نوترینوها، یا از فرآیندهای همجوشی با مشکل مواجه است.
رفتن به اعماق زمین برای مطالعه ی خورشید
ناکامی دیویس در یافتن نوترینوها در آزمایش ساوانا، به وضوح نشان می داد که دو نوع نوترینو وجود دارد: نوترینوی نوع ماده که قادر به تبدیل کلر به آرگون است، و شریک پادماده ی آن، که از راکتورهای همجوشی ساطع می‌شود اما نمی‌تواند با کلر برهمکنش کند.
نوترینوهایی که از خورشید خارج می شوند، باید از نوعی باشند که در آزمایش کلر به آرگون شناسایی می شوند. اگرچه واکنشی که دیویس از آن استفاده کرده بود، در شناسایی نوترینوهای راکتور ناتوان بود، اما این عدم توانایی به این معنا بود که برای تشخیص نوترینوهای خورشید مناسب است.
بیشتر نوترینوهای خورشیدی، که از همجوشی اتم‌های هیدروژن برای تشکیل هلیوم به دست می‌آیند، انرژی کمی دارند و در آزمایش دیویس نمی‌توان آنها را شناسایی کرد. از هر ۱۰۰۰۰ نوترینویی که از ستارگانی مانند خورشید ساطع می شوند، یکی با انرژی آنقدر بالایی ظاهر می شود که بتواند واکنش های کلر را که دیویس دنبال می کرد، انجام دهد. بر اساس میزان کارآمدی شناسایی نوترینوها در محلول خشکشویی، که باکال محاسبه کرده بود، او تخمین زد که دیویس بین چهار تا یازده نوترینوی خورشیدی را در روز خواهد دید، اگر که از یک مخزن ۱۰۰۰۰۰ گالنی مایع استفاده کند.
برای کم کردن اثر پرتوهای کیهانی، دیویس در سال ۱۹۶۵ شروع به آماده سازی آزمایشی کرد که توسط بروکهاون پشتیبانی می شد و قرار بود در اعماق معدن طلای Homestake در لید، داکوتای جنوبی، انجام شود. تالاری که این آزمایش در آن انجام می شد، ۱۴۷۸ متر زیر زمین حفاری شده بود. مخزن، بسیار بزرگتر از آن بود که بتواند از طریق آسانسور معدن پایین آورده شود، بنابراین جوشکاران، آن را تکه تکه درون تالار زیرزمینی مونتاژ کردند.
پس از تکمیل و پر شدن مخزن، آزمایش‌کنندگان هر چند ماه یک‌بار آرگون رادیواکتیو را از طریق مجموعه‌ای از مراحل پیچیده که شامل عبور دادن حباب های هیدروژن از میان مایع خشکشویی برای حل کردن و بیرون آوردن آرگون بود، از مخزن استخراج می‌کردند. سپس مخلوط هیدروژن-آرگون را خیلی سرد می کردند و آرگون را در یک تله ی زغال سرد گیر می انداختند. مقادیر بسیار کمی که بدست می آمد، در شمارنده‌هایی قرار داده می شد و دیویس می‌توانست تعداد اتم‌های آرگون رادیواکتیو را با نگاه کردن به پرتوهای ایکسی که هنگام واپاشی و تبدیل آنها به کلر منتشر می شد، تعیین کند.
برای اندازه‌گیری مقدار آرگون انباشته شده، بدون تداخلات پس‌زمینه ای، تیم دیویس شمارنده‌های پر از آرگون را در لوله‌های تفنگ ناوهای جنگی که قبل از ظهور بمب اتم ساخته شده بودند، وارد می کردند، چرا که فولاد تولید شده پس از انفجار بمب های هسته ای، آلودگی های رادیواکتیو منتشر شده در اتمسفر را در درون خود ذخیره می کند.
اگرچه چنین ناخالصی‌هایی ناچیز هستند، اما برای آزمایشی که روزانه تعداد اندکی اتم را جمع‌آوری می‌کند، دردسرساز خواهند بود. فولاد با پس زمینه ی پایین، که به فولای که قبل از دوران اتمی تولید شده بود گفته می شود، یک محافظ بدون آلودگی ارائه می کرد که به حفاظت ناشی از یک و نیم کیلومتر سنگ و خاک در بالای اتاق های آزمایش می افزود.
علیرغم همه ی تلاش های آنها، از همان اندازه گیری های اولیه مشخص بود که تعداد نوترینوهای خورشیدی کم هستند. نگرانی‌های دیویس در گزارشی که او برای نظریه‌پرداز، ویلیام فاولر، در اواخر سال ۱۹۶۷ ارسال کرد، آشکار است. دیویس می نویسد: «ما اکنون آماده‌ایم، خورشید را روشن کن».
به جای اینکه دیویس طبق تخمین باکال، به طور متوسط هفت و نیم نوترینو در روز مشاهده کند، دو و نیم نوترینو شمارش کرد. نه درخواستی از سر شوخی به فاولر، و نه تغییرات جزیی در محاسبات باکال، نتوانست انتظارات و مشاهدات را تطبیق دهد. ناسازگاری مرموز همچنان ادامه داشت.
معما عمیق تر می شود
به نظر می آمد که منشا اختلاف بین محاسبات باکال و آزمایش دیویس، در آشکارساز معدن Homestake، یا در مدل های نظری همجوشی ستاره ای، یا در خود نوترینوها باشد. دیویس در درجه ی اول به نظریه های همجوشی ستاره ای بی اعتماد بود. اما به عنوان یک آزمایش کننده ی سخت گیر، او تصمیم گرفت که مطمئن شود که آشکارساز ایرادی ندارد.
دیویس و تیمش راه های مختلفی را برای اطمینان از کارآمدی روش های جذب آرگون ارائه کردند: آنها مواد رادیواکتیو را به آشکارساز اضافه کردند تا فعالانه اتم های آرگون را از کلر تولید کنند و مطمئن شوند که می توانند آنها را در سیستم استخراج پیدا کنند. آنها ترکیبات کلر نشاندار شده ی رادیواکتیو را برای تولید شکل متفاوتی از آرگون تزریق کردند و مقدار مورد انتظار را پیدا کردند. همچنین آنها به دنبال اشکال غیر رادیواکتیو آرگون گشتند که ممکن بود از هوای بیرون به داخل نفوذ کرده باشد تا مطمئن شوند که جوشکاری مخزن بدون ایراد است. در یکی از خارق العاده ترین تست هایی که انجام دادند، آنها ۵۰۰ اتم آرگون رادیواکتیو را در مخزن ۱۰۰۰۰۰ گالنی قرار دادند، بدون اینکه پیشاپیش مقدار آن را به دیویس بگویند، و دیویس توانست همه ی آنها را پیدا کند.
برای درک عظمت کار، تصور کنید که می خواهید یک دانه شن مخفی شده در میان شن های ساحل را پیدا کنید. در مقایسه با شکار آرگون در آزمایش معدن Homestake، این کار بازی کودکانه ای خواهد بود. دیویس در حال تلاش برای یافتن اتم هایی بود که در بین مولکول هایی مخفی شده بودند که تعداد آنها تریلیون ها برابر بیشتر از تعداد دانه های شن در تمام سواحل جهان بود.
در دهه هایی که دیویس به دنبال نوترینوها در معدن هوم استیک بود، هیچ نقصی در آشکارساز یا در مراحل کار پیدا نکرد. نتیجه ی غیر قابل اجتناب این بود: تعداد نوترینوهای شمارش شده صحیح بودند. پس باید اشکال از درک ما از خورشید یا از خود نوترینوها باشد.
دامنه ی احتمالات مربوط به خورشید از غیر محتمل تا خارق العاده گسترش می یافت: وجود یک سیاهچاله در مرکز آن، نیاز به ایجاد تغییرات اساسی در مکانیک کوانتومی، یا حتی مرگ نزدیک ستاره ای که موتور حیات در سیاره ی ما است. اینها، چند مورد از پیامدهای شدیدتر مشکل نوترینوی خورشیدی بود. در سال ۱۹۶۸، پونتکوروو، که واکنش مرتبط با آزمایش دیویس را پیشنهاد کرده بود، از راه حلی حمایت می کرد که نوترینوها را مقصر می دانست.
پونتکوروو پس از حضور در کانادا به انگلستان نقل مکان کرده بود. در اواخر سال ۱۹۵۰، او و خانواده اش به طور ناگهانی و مرموزی ناپدید شدند. طبق گزارش های سیا، مدت کوتاهی پس از حضور در شوروی، او تلاش ها برای پالایش اورانیوم برای نیروگاه های هسته ای را رهبری می کرد. روزنامه ها در آن زمان فکر می کردند که پونتکوروو تخصص خود را در اختیار برنامه ی تسلیحات اتمی شوروی قرار داده است. در مقاله ای در نسخه ۲۵ آوریل ۱۹۵۳ در روزنامه Svenska Dagbladet در استکهلم آمده است: «گزارش شده است که کار بر روی بمب هیدروژنی روسیه تا آنجا پیشرفت کرده است که تحقیقات عملی با یک بمب آزمایشی تحت نظر پروفسور پونتکوروو در ژوئیه ی امسال انجام خواهد شد.» این مقاله ی خبری زمان آزمایش را به اندازه ی یک ماه اشتباه کرده بود، قرار بود آزمایش در اوت ۱۹۵۳ انجام شود نه در جولای.
در سال ۱۹۵۶ پونتکوروو انتشار مقالات علمی از سرزمین جدید خود، اتحاد جماهیر شوروی را از سر گرفت. یک بار دیگر علاقه ی او به سمت نوترینوها رفت.
همراه با نظریه پرداز برجسته ی روسی، ولادیمیر گریبوف، پونتکوروو پیشنهاد کرد که نظریه های چرخه ی همجوشی خورشید درست هستند، به این معنی که «نوترینوهای الکترونی» از واکنش های خورشیدی ساطع می شوند، درست همان طور که انتظار می رفت، و آزمایش های دیویس هم در گرفتن آنها موثر عمل می کنند. گریبوف و پونتکوروو استدلال کردند که «نوترینوهای الکترونی» کمتری به آشکارساز معدن Homestake می رسند، نه به این دلیل که واکنش های کمتری در خورشید رخ می دهد، بلکه به این دلیل که نوترینوها در مسیر رسیدن به زمین هویت خود را تغییر می دهند.
درست مانند تجربه ی دیویس از آزمایش راکتور رودخانه ی ساوانا، این واقعیت که نوترینوها گم شده بودند تقریبا به همان اندازه مهم بود که پیدا کردن آنها. در ساوانا، باعث اثبات وجود پادنوترینوها شد. در لید، داکوتای جنوبی، هم مساله مهمی را نشان می داد.
در سال ۱۹۵۹، پونتکوروو برای اولین بار پیشنهاد کرد که نوترینوی مرتبط با پسر عموی سنگین الکترون، میون، در واقع با نوترینوی الکترون متفاوت است. پونتکوروو و گریبوف نشان دادند که تبدیل شدن از یک گونه ی نوترینویی به گونه ای دیگر، به علت اختلاف جرم بین نوترینوهای الکترون و میون می تواند رخ دهد. با توجه به اینکه در آن زمان مشخص نبود که نوترینوها اصلا جرم دارند یا نه، این نظریه در ابتدا نامزد اصلی برای توضیح مشکل نوترینوهای خورشیدی نبود. این مساله سه سال بعد تغییر کرد، زمانی که لدرمن، شوارتز، و اشتاین برگر، که از نظریه ی پونتکوروو بی اطلاع بودند، به طور تجربی تمایز بین نوترینوهای الکترونی و نوترینوهای میونی را تایید کردند.
اگر که بیشتر از یک نوع نوترینو وجود داشته باشد، آن طور که پونتکوروو و گریبوف پیشنهاد کردند، نوترینوهایی که از خورشید بیرون می آیند می توانند در سفر ۱۵۰ میلیون کیلومتری شان به سمت زمین، از یک نوع به نوعی دیگر نوسان کنند. در نتیجه، آنها به جای مجموعه ای یکدست از نوترینوهای الکترونی که از همجوشی ستاره ای ایجاد شده اند، به صورت مخلوطی از نوترینوها به زمین می رسند. این روزها ما به انواع نوترینوها، «طعم» می گوییم. زمانی که پونتکوروو و گریبوف پیشنهاد کردند که نوترینوها از طعمی به طعم دیگر تغییر می کنند، آنها فقط به طعم های الکترون و میون توجه داشتند.
در اواسط دهه ۱۹۷۰، یک پسر عموی دیگر الکترون که سنگین تر هم بود، به نام تاو لپتون کشف شد. اگر الکترون و میون با نوترینوهای مرتبط همراه باشند، در نتیجه تاو نیز باید همین طور باشد. و بنابراین نوترینوی تاو نیز در نوسانات نقش دارد و این مساله می تواند تغییر طعم ها را پیچیده تر کند.
با فرض اینکه نوترینوها بین انواع مختلف نوسان می کنند، لینکلن ولفنشتاین از دانشگاه کارنگی ملون متوجه شد که عبور آنها از میان ماده باید نوسان آنها را تغییر دهد. فیزیکدانان اهل شوروی، استانیسلاو میخایف و الکسی اسمیرنوف، محاسبه کردند که پس از ایجاد نوترینوها در خورشید، با حرکت آنها از سمت هسته و از میان پلاسمای خورشیدی، نوسان آنها افزایش می یابد.
اگرچه نوترینوهای همجوشی به راحتی از خورشید عبور می کنند، اثر MSW (که از حروف اول نام خانوادگی میخایف، اسمیرنوف، و ولفنشتاین تشکیل شده است) نشان می دهد که ستارگان برای نوترینوها کاملا هم شفاف نیستند. طبق تئوری MSW، همان طور که سرعت نور در آب کند می شود، نوترینوها نیز در طی عبور از پلاسمای متراکم خورشید کند می شوند. این به آنها زمان بیشتری برای نوسان می دهد و این احتمال را افزایش می دهد که «نوترینوهای الکترونی» که از همجوشی خورشید متولد شده اند، با دور شدن از خورشید به انواع مختلفی تبدیل شوند.
معما حل شد
حمایت از این ایده که نوسانات نوترینو ممکن است علت کسری، در اندازه گیری های دیویس باشد، در حال افزایش بود. با این حال، شلدون گلاشو، فیزیکدان هاروارد، از جمله افرادی بود که گمان می کرد که خورشید ممکن است مقصر باشد نه ذرات زیراتمی. دیدگاه او کمتر از برخی از دیدگاه های دیگر، حالت آخرالزمانی داشت.
ستاره ما در حال مرگ نبود. در عوض، او پیشنهاد کرد که کمبود نوترینوها فقط مرحله ای است که در نتیجه ی نوسانات لرزه ای در هسته ی خورشید رخ داده است و از آن عبور خواهد کرد. او و همکارش آلوارو دی روژولا از سرن در سال ۱۹۹۲، از این ایده حمایت کردند که شاید باید صبور بود و داده های بیشتری را در طول زمان جمع آوری کرد. ممکن است تولید نوترینوهای خورشیدی در کمترین حالت خود باشد. در این صورت، نوترینوها معادل خورشیدی لرزه سنج ها روی زمین هستند.
دی روژولا و گلاشو نوشتند: «اگر آزمایش های نوترینو، ضربان قلب خورشید را نشان دهند، در آن صورت این خورشید است که نوسان می کند، نه نوترینو.»
گلاشو سی سال بعد به یاد می آورد که «در آن زمان در مورد نوسانات نوترینو تردید وجود داشت»، تا اینکه یک اعلام قطعی موضوع را حل کرد.
اگرچه گلاشو از جمله کسانی بود که در مورد نوسانات نوترینوهای خورشیدی تردید داشت، اما او یکی از اولین طرفداران تحقیق در مورد نوسان نوترینوهای ایجاد شده در اثر برخورد پرتوهای کیهانی به جو زمین بود. او در سخنرانی خود در سپتامبر ۱۹۷۹ در کنفرانس «کوارک ها و لپتون ها» در فرانسه این موضوع را پیشنهاد کرد. رینز نیز همین کار را با جزئیات بیشتر، یک ماه بعد در شانزدهمین کنفرانس بین المللی پرتوهای کیهانی در کیوتوی ژاپن پیشنهاد کرد.
با این وجود، هر دو آمریکایی از پونتکوروو که در حال تحقیق روی نوسانات نوترینوهای اتمسفر بود، عقب بودند. پونتکوروو و همکارانش در رصدخانه ی نوترینوی موسسه تحقیقات هسته ای، در سال ۱۹۷۶ این آزمایش را توصیف کرده بودند. یک سال بعد، آنها در حال کار در تاسیسات زیرزمینی در نزدیکی مسکو بودند. پونتکوروو محاسبه کرد که آزمایش آنها حداقل تا حدودی قادر به شناسایی نوسانات نوترینوهای جوی خواهد بود.
با وجود شروع زودتر، شوروی در مسابقه ی یافتن نوسانات نوترینو پیروز نشد. در عوض، آشکارساز نوترینویی ژاپن، Super-Kamiokande، برای اولین بار این اثر را در نوترینوهای جوی مشاهده کرد، و سپس رصدخانه ی نوترینوی سادبری کانادا، سه سال بعد نوسانات نوترینوی خورشیدی را تایید کرد.
گلاشو با اشاره به کشف اینکه تعداد نوترینوهای میونی که از میان زمین رد می شوند کمتر از آن چیزی است که از بالا به سطح زمین می بارد، می گوید: «من در آن کنفرانس در سال ۱۹۹۸ در تاکایامای ژاپن بودم که ژاپنی ها اعلام کردند که نوسانات نوترینوهای جوی را مشاهده کرده اند.» این نشانه ی آن بود که آنها باید هویت خود را در حین عبور از میان زمین تغییر دهند. «این زمانی بود که همه شروع به باور کردند ... که واقعا نوسانات نوترینو رخ می دهد.» گلاشو به یاد می آورد که پاسخ به اعلام این خبر، حداقل از یک جهت غیر عادی بود. گلاشو در مصاحبه ای در سال ۲۰۱۹ می گوید: «هرگز قبلا [در یک کنفرانس علمی] تشویق کردن به صورت ایستاده را ندیده بودم. وقتی آنها شواهد قطعی خود را برای نوسانات نوترینو نشان دادند، حضار به سمت یک مرد و یک زن برخاستند و کف زدند. این فوق العاده بود.»
طعم سوم، نوترینوی تاو، سرانجام در سال ۲۰۰۰ در Fermilab، خارج از شیکاگو، شناسایی شد. در سال ۲۰۰۱، یک آشکارساز که می توانست هر سه نوع نوترینو را ببیند، رصدخانه ی نوترینوی سادبری (SNO) در شمال انتاریو، تایید کرد که خورشید تقریبا به اندازه ای که باکال محاسبه کرده بود، نوترینو ساطع می کند. با توجه به اندازه گیری های معدن Homestake، واضح بود که نوترینوها در بین طعم های مختلف در نوسان هستند، همان طور که پونتکوروو حدس زده بود.
ذرات گمشده در آزمایش های دیویس، برای اولین بار به ما اطلاعاتی در مورد اسرار نوسانات نوترینوها دادند. با این حال، ترکیب نتایج دیویس با نتایج SNO، مقادیر مختلفی را برای ویژگی های نوترینوها که نوسانات را ممکن می کرد، ارائه می داد. داده های قطعی، نه از مشاهدات بیشتر نوترینوهای خورشیدی، بلکه از آزمایشی که در ارتباط با راکتورها در ژاپن انجام شد، بدست آمد.
آشکارساز KamLAND در سال ۲۰۰۲ در معدنی در ژاپن نصب شد، مکانی که قبلا توسط آشکارساز نوترینوی Kamioka (یا Kamiokande) اشغال شده بود. این آشکارساز از یک کره ی پر از سوسوزن مایع تشکیل شده است که توسط لوله های افزاینده ی نور احاطه شده است تا فلاش های نور تولید شده در هنگام تعامل نوترینوها با سوسوزن را تشخیص دهند. در منطقه ی اطراف آشکارساز بیش از ۲۵ راکتور وجود دارد که به طور متوسط ۱۸۰ کیلومتر با آن فاصله دارند. این راکتورها پادنوترینوهایی تولید می کردند که طیف انرژی آنها مشابه نوترینوهایی بود که دیویس در حال مطالعه ی آنها بود. این به KamLAND دسترسی به همان پارامترهای نوسانی را می داد که بر نوترینوهای خورشیدی حاکم بود.
اولین نتایج KamLAND که در اواخر سال ۲۰۰۲ منتشر شد، ابهامات قبلی موجود در مورد مشکل نوترینوی خورشیدی را برطرف کرد و مسیر طولانی را که تقریبا چهار دهه قبل در معدن Homestake آغاز شده بود با موفقیت به پایان رساند. همانطور که تئوری پیش بینی می کرد، KamLAND توانست نوسانات نوترینو را اندازه گیری کند و نشان دهد که چگونه با افزایش انرژی، نوسانات کاهش می یابد.
اخیرا، آشکارسازهایی از جمله Borexino در ایتالیا، مطالعه ی نوترینوها را به ذراتی با انرژی کم که از فازهای دیگر همجوشی خورشیدی می آیند، گسترش داده اند، و امکان مقایسه ی بالقوه ی نوسانات در همان فاصله ای که دیویس و باکال با آزمایش های معدن Homestake مطالعه می کردند، ولی با انرژی های متفاوت را فراهم کرده اند.
آزمایش های زمینی، اندازه گیری هایی را در فواصلی کوتاه تر، از تقریباً قطر زمین تا ده ها متر امکان پذیر می کنند. حتی قبل از کشف قطعی نوسانات توسط رصدخانه ی نوترینوی سادبری در سال ۲۰۰۱، آزمایش SuperKamiokande در ژاپن تفاوت هایی را در تعداد نوترینوهای تولید شده توسط پرتوهای کیهانی که به اتمسفر برخورد می کنند، نشان می داد. تعداد نوترینوهایی که در اثر برخورد پرتوهای کیهانی به اتمسفر از سمت بالای آشکارساز شناسایی می شدند، دو برابر تعداد نوترینوهایی بود که از میان زمین عبور می کردند و بعد شناسایی می شدند. این تفاوت نشان می داد که نوترینوها در حین عبور از زمین تغییر می کنند.
مطالعه روی نوسانات، که فواصل متفاوتی، از چند متر تا میلیون ها کیلومتر را در بر می گیرد، گواهی است بر این واقعیت است که نوترینوها جالب تر از آن چیزی هستند که زمانی که برای اولین بار در آزمایش های دیویس گم شدند، تصور می شد.
شاید مهم تر از آنچه که آزمایش ها در مورد نوترینو می گویند، پاسخ آنها به سؤالی باشد که بشریت را در طول اعصار به خود مشغول کرده است: چرا خورشید می سوزد؟ اگر همجوشی هسته ای موتوری است که ستاره ما را به حرکت در می آورد، پس نوترینوهای خورشیدی باید به تعدادی که باکال محاسبه کرده بود ایجاد شوند. کشف اینکه کمبودی وجود ندارد، بلکه نوترینوها در نوسان هستند، سرانجام تأیید کرد که خورشید بر اساس همجوشی هسته ای کار می کند.
دیویس هنگام دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۰۲، یک سال پس از تایید قطعی نوسانات نوترینو، گفت: «برخورد بین آزمایش های نوترینوهای خورشیدی و مدل خورشیدی استاندارد، به طرز شگفت انگیزی پایان یافته است. هیچ چیز در آزمایش ها یا در تئوری اشتباه نبود. بلکه مشکلی در نوترینوها وجود داشت.»
چیزی که نوترینوها اکنون می توانند به ما بگویند این است که خورشید هیچ مشکلی ندارد. بلکه به خوبی کار می کند. اگر که اتفاقی برای آن بیفتد، نوترینوها حدود هشت دقیقه پس از آن، به ما اطلاع خواهند داد.
۶
تغییر دهنده ی طعم باور نکردنی
هنگامی که گرگور سامسا یک روز صبح پس از رویاهای ناراحت کننده بیدار شد، خود را در حالی یافت که در رختخواب خود به یک حشره ی غول پیکر تبدیل شده است.
— فرانتس کافکا، مسخ
گرگور سامسا یک فروشنده دوره گرد نسبتاً غیرقابل توجه بود، به جز این واقعیت که در همان سطر اول کتاب مسخ فرانتس کافکا به طور ناگهانی و مرموزی به یک حشره تبدیل شد. نوترینوها به دلایل مختلف ذرات جالبی هستند، اما بسیار شبیه سامسا، این دگرگونی های آنهاست که آنها را بیشتر از هر چیز متمایز می کند.
همانطور که مشاهدات در پایان قرن گذشته تأیید کردند، خنثای کوچک پائولی، یک موجود ترکیبی است که در طول زمان تغییر می کند. ممکن است به صورت یک نوترینوی الکترونی بوجود بیاید، سپس به ترکیبی از نوترینوهای الکترونی، میونی، و تاوی تبدیل شود. در نهایت، می تواند به یک نوترینوی الکترونی تبدیل شود، اما بیشتر اوقات، تا حدودی، هر سه نوع است. برخلاف سامسا که در نهایت پس از تبدیل شدن به یک سوسک غول پیکر از گرسنگی و ناامیدی می میرد، نوترینوها معمولاً در میان مخلوطی از طعم ها به طور دائم در چرخش هستند.
دیدن تغییرات نوترینوها در طی مسافت، واضح تر از نگاه کردن به تغییرات آنها در طول زمان است. آزمایش ساندویچ باشگاه را که برای اولین بار به طور مشخص وجود نوترینوها را ثابت کرد، در نظر بگیرید. اگر تعداد ذرات را با یک آشکارساز که در نزدیکی راکتور قرار دارد اندازه گیری کنید، می توانید استنباط کنید که آنها به تعدادی تولید شده اند که باید از شکافت هسته ای در راکتور حاصل شده باشد.
اگر شما آشکارساز خود را به تدریج دور کنید، تعداد نوترینوها کاهش می یابد. این خیلی تعجب آور نیست؛ چرا که نوترینوها با دور شدن از منبع، پراکنده می شوند. به همین ترتیب، هرچه از یک لامپ دورتر شوید، به نظر می رسد که کم نورتر می شود، زیرا فوتون هایی که از آن ساطع می شوند در همه جهات پخش می شوند و در نتیجه تعداد کمتری از آنها به چشم شما می رسد.
برای راکتورها، دلیل دیگری وجود دارد که به نظر می‌رسد شدت جریان نوترینوی الکترونی با دور شدن شما کاهش می‌یابد، و سپس، با دور شدن بیشتر، دوباره شروع به افزایش می‌کند. انگار که از یک لامپ دور می‌شوید و در نقطه‌ای محو می‌شود، اما وقتی دورتر می‌شوید دوباره روشن می‌شود.
اگر به راه خود ادامه دهید و آشکارساز خود را به تدریج از راکتور دورتر کنید، محو شدن و روشن شدن سیگنال نوترینو ادامه خواهد یافت. این شواهدی از نوسانات نوترینو است: شانس تشخیص نوترینوهای الکترونی که از یک راکتور یا هر منبع دیگری می آیند، با تغییر فاصله از منبع نوسان می کند.
در عمل، انجام این آزمایش سخت است. بیشتر آشکارسازهای نوترینو بزرگ هستند. اندازه‌گیری نوسان در جریان نوترینو در فواصل فزاینده کار آسانی نیست، زیرا حرکت دادن مخزنی پر از صدها هزار گالن سیال خیلی دشوار است. برخی از آزمایش‌ها، نوترینوها را در فواصل ثابت و چندگانه اندازه‌گیری می‌کنند و سپس فیزیکدانان نتایج را با نظریه‌ای که نوسان را توصیف می‌کند، مقایسه می‌کنند. برخی دیگر به دانستن نوع و کمیت نوترینوهایی که از یک منبع پراکنده می شوند و مقایسه ی آن با انواع و مقادیر اندازه گیری شده در فاصله ای دور متکی هستند.
همانطور که پونته کوروو برای اولین بار پیشنهاد کرد، زمانی که شما از یک منبع دور می شوید، نوترینوها در واقع ناپدید نمی شوند و دوباره ظاهر نمی شوند. آنها در واقع در حال تبدیل شدن به نوع متفاوتی از نوترینو هستند - نوعی که آزمایشی مانند آزمایش کوان و رینز، نمی تواند آن را ببیند. بیشتر آزمایش‌هایی که نوسانات نوترینو را اندازه‌گیری می‌کنند، نشان می‌دهند که آنها در حال تبدیل شدن به نوترینوهای میون یا تاو هستند، اگرچه تعدادی از آزمایش‌ها نشان می‌دهند که چیزهای عجیب و غریب دیگری نیز ممکن است وجود داشته باشند.
معنای مسخ مرموز سامسا دهه‌هاست که در کلاس‌های ادبیات مورد بحث قرار گرفته است. اگرچه اسرار قابل توجهی در مورد جزئیات نوترینوها و نوسانات آنها وجود دارد، اما نظریه ی توصیف کننده این نوسانات واضح است و همه چیز به طعم و جرم بستگی دارد.
ارتباط طعم-جرم
طعم های موجود در غذا معمولاً ترکیبی از ادویه ها هستند. طعم های نوترینو نیز ترکیبی هستند. به جای جعفری، رزماری و مریم گلی، طعم های موجود در نوترینوها به عنوان حالت های جرمی شناخته می شوند. سه حالت جرمی که ترکیب می‌شوند تا طعم‌های نوترینو را بسازند به سادگی m1، m2 و m3 شماره‌گذاری می‌شوند.
هر طعم نوترینو از ترکیب متفاوتی از سه جرم ساخته شده است. پس از مخلوط شدن برای ایجاد طعمی خاص، نسبت حالت های جرم در یک نوترینو در طول زمان تغییر می کند. انگار در یک پذیرایی جادویی هستید و در حین صحبت، غذای بشقاب شما از شیرین به ترش تبدیل می شود. اگر طعمی را دوست نداشتید، فقط منتظر بمانید تا زمانی که در اتاق قدم می زنید، به طعم دیگری تبدیل شود. اگر در مکالمه غرق شدید و فرصت را برای خوردن غذای موجود در بشقاب خود زمانی که طعم دلخواه شما است از دست دادید، کمی صبر کنید تا تغییر کند و دوباره به ترکیب مورد علاقه شما تبدیل شود.
چه غذای جادویی باشد چه نوترینو، تغییر از یک نوع به نوع دیگر نوسان طعم است. ممکن است تصور کنید که برخی از چیزهایی که در اواسط مسیر نوسان طعم از شیرین به ترش بوده اند، طعم کمی از هر دو را دارند. اما اگر در یک مهمانی هستید که غذا از قوانین کوانتومی پیروی می کند، غذایی که میل می کنید منحصراً شیرین یا ترش خواهد بود. این یکی از ویژگی‌های اصلی مکانیک کوانتومی است که چیزها در مقادیر متمایز قرار می‌گیرند، چه بار الکتریکی روی یک الکترون، چه تکه‌های نور که فوتون هستند، یا طعم یک نوترینو. احتمال اینکه یک طعم خاص را بچشید تغییر می کند، اما هرگز دو طعم را همزمان نخواهید چشید.
احتمالاً به یک مهمانی دعوت نخواهید شد که در آن طعم غذا در نوسان باشد، اما طعم نوترینوها همیشه در نوسان است. به همین دلیل است که تعداد نوترینوهای خورشیدی دیویس کمتر از حد انتظار بودند - او به دنبال نوترینوهای الکترونی ترش بود و نمی توانست میون های شیرین یا نوترینوهای تاو را که از اتاق عبور می کردند ببیند.
اینکه چگونه ممکن است غذا در یک مهمانی از طعمی به طعم دیگر تغییر کند، خوراک خوبی برای تخیل است، اما قوانین حاکم بر نوسانات طعم نوترینوها به تفاوت بین سه ماده ی نوترینوها بستگی دارد. به بیان دقیق تر، در معادلاتی که نوسانات را توصیف می کنند، این تفاوت در مجذور جرم های سه حالت است که اهمیت دارد. برای اینکه بفهمیم نوترینوها چگونه نوسان می کنند، نیازی به دانستن جرم واقعی این سه حالت نداریم. این خوش شانسی است، زیرا جرم های نوترینوها بسیار کوچک هستند و اندازه گیری آنها دشوار است، اما نوسانات به راحتی قابل مشاهده هستند. در نتیجه، می‌توانید نوسانات را اندازه‌گیری کنید تا به تفاوت‌های بین حالت‌های جرمی دست پیدا کنید، حتی اگر ندانید که مقدار دقیق جرم‌ها چقدر است.
کمی شبیه این است که بدانید به کمی پاپریکا، اندکی نمک، و یک مشت جعفری نیاز دارید. به سختی می‌توان گفت که این مقادیر دقیقاً چقدر از یک قاشق چای‌خوری یا فنجان را تشکیل می دهند، اما وقتی چیزی را که از فر بیرون می‌آید مزه می‌کنید، می‌توانید تشخیص دهید که کدام را زیاد و کدام را کم اضافه کرده‌اید.
مشاهدات نوترینوهایی که مسافت های نسبتاً طولانی را طی می کنند، مانند مواردی که از خورشید می آیند، بیشتر به تفاوت بین دو حالت جرمی بستگی دارد که به نظر می رسد نسبتاً نزدیک به هم باشند. برای مشاهدات با برد کوتاه‌تر، مانند مشاهداتی که شامل نوترینوهای تولید شده در جو زمین می‌شود، نوسانات، تفاوت بزرگی در مجذور جرم را نشان می‌دهند. یعنی از سه حالت جرمی که به طعم نوترینو تبدیل می شوند، دو حالت به وضوح به هم نزدیک هستند. آنها حالت هایی هستند که فیزیکدانان m1 و m2 می نامند. سومی، m3، به طور قابل توجهی متفاوت است. ممکن است از نظر جرم بزرگتر از دو مورد دیگر یا شاید کوچکتر باشد، اما در هر صورت، از دو مورد دیگر متمایز است.
قبلی، بعدی
خورشید را روشن کنید
"چند بار به شما گفته ام که وقتی غیرممکن ها را حذف می کنید، هر چه باقی می ماند، هر چند بعید باشد، باید درست باشد؟"
— شرلوک هلمز، نشانه چهار
مشکلی در کار خورشید وجود داشت.
شاید هسته ی آن به سرعت در حال چرخش بود که منجر به کاهش فشار و کاهش سرعت همجوشی می شد. شاید اصلاً بر اساس همجوشی کار نمی‌کرد، بلکه توسط یک سیاهچاله در مرکزش کار می‌کرد که ماده را می‌مکید و انرژی را به بیرون می‌فرستاد. بدتر از همه این بود که این احتمال وجود داشت که در حال اتمام ذخیره ی سوخت خود باشد. ممکن است هیدروژنی که برای چهار و نیم میلیارد سال مصرف کرده بود تمام شده باشد و شروع به زوال اجتناب ناپذیر خود به سوی مرگ ستاره ای بکند.
صرف‌نظر از علت آن، نشانه‌ها واضح بودند: تنها کسری از نوترینوهایی که باید از هسته خورشید ساطع شوند، از آن بیرون می آمدند.
در طول ۳۴ سال، از سال ۱۹۶۷، ری دیویس از آزمایشگاه ملی بروکهاون، آزمایشی را که در اعماق یک معدن طلای فعال در داکوتای جنوبی رهبری می کرد، بارها بررسی کرده بود. آزمایش درست کار می کرد و نوترینوها را همانطور که باید می شمرد. ولی آنها به مقداری نبودند که شریک نظریه‌پردازش، جان باکال، محاسبه کرده بود که ستاره‌ای مانند خورشید باید تولید کند. بلکه در حدود یک سوم آن چیزی بودند که باکال معتقد بود که تئوری پیش بینی می کند.
ستارگان، به نحو قابل ملاحظه ای برای نوترینوها شفاف هستند، و این به این معنی است که نوترینوهایی که دیویس پیدا می کرد، یک تصویر لحظه ای از واکنش های همجوشی خورشید از تقریبا هشت دقیقه قبل ارائه می کردند، تاخیری که به دلیل مدت زمان لازم برای رسیدن یک نوترینو به زمین است.
گرما و نوری که خورشید به بیرون می فرستد، صدها هزار سال پیش در هسته ی آن ایجاد شده است، سپس به سمت بیرون حرکت می کند تا اینکه به تاج می رسد، و سپس در فضا منتشر می شود. اگر واکنش‌هایی که انرژی خورشید را تامین می کنند مانند شمعی در باد چشمک می‌زدند، می‌توانستیم تقریباً بلافاصله، تغییر در خروجی نوترینوها را ببینیم، اما نور خورشید به طور یکنواخت برای حدود ۱۷۰۰۰۰ سال، قبل از اینکه نشانه‌ای از مشکل مشخص بشود، می‌تابد.
اینکه دقیقاً چه اتفاقی در خورشید می‌افتد یک راز بود، اما اختلاف بین شار نوترینوی مورد انتظار و اندازه‌گیری‌های دیویس، بیانگر این بود که شناخت ما از خورشید، یا از نوترینوها، یا از فرآیندهای همجوشی با مشکل مواجه است.
رفتن به اعماق زمین برای مطالعه ی خورشید
ناکامی دیویس در یافتن نوترینوها در آزمایش ساوانا، به وضوح نشان می داد که دو نوع نوترینو وجود دارد: نوترینوی نوع ماده که قادر به تبدیل کلر به آرگون است، و شریک پادماده ی آن، که از راکتورهای همجوشی ساطع می‌شود اما نمی‌تواند با کلر برهمکنش کند.
نوترینوهایی که از خورشید خارج می شوند، باید از نوعی باشند که در آزمایش کلر به آرگون شناسایی می شوند. اگرچه واکنشی که دیویس از آن استفاده کرده بود، در شناسایی نوترینوهای راکتور ناتوان بود، اما این عدم توانایی به این معنا بود که برای تشخیص نوترینوهای خورشید مناسب است.
بیشتر نوترینوهای خورشیدی، که از همجوشی اتم‌های هیدروژن برای تشکیل هلیوم به دست می‌آیند، انرژی کمی دارند و در آزمایش دیویس نمی‌توان آنها را شناسایی کرد. از هر ۱۰۰۰۰ نوترینویی که از ستارگانی مانند خورشید ساطع می شوند، یکی با انرژی آنقدر بالایی ظاهر می شود که بتواند واکنش های کلر را که دیویس دنبال می کرد، انجام دهد. بر اساس میزان کارآمدی شناسایی نوترینوها در محلول خشکشویی، که باکال محاسبه کرده بود، او تخمین زد که دیویس بین چهار تا یازده نوترینوی خورشیدی را در روز خواهد دید، اگر که از یک مخزن ۱۰۰۰۰۰ گالنی مایع استفاده کند.
برای کم کردن اثر پرتوهای کیهانی، دیویس در سال ۱۹۶۵ شروع به آماده سازی آزمایشی کرد که توسط بروکهاون پشتیبانی می شد و قرار بود در اعماق معدن طلای Homestake در لید، داکوتای جنوبی، انجام شود. تالاری که این آزمایش در آن انجام می شد، ۱۴۷۸ متر زیر زمین حفاری شده بود. مخزن، بسیار بزرگتر از آن بود که بتواند از طریق آسانسور معدن پایین آورده شود، بنابراین جوشکاران، آن را تکه تکه درون تالار زیرزمینی مونتاژ کردند.
پس از تکمیل و پر شدن مخزن، آزمایش‌کنندگان هر چند ماه یک‌بار آرگون رادیواکتیو را از طریق مجموعه‌ای از مراحل پیچیده که شامل عبور دادن حباب های هیدروژن از میان مایع خشکشویی برای حل کردن و بیرون آوردن آرگون بود، از مخزن استخراج می‌کردند. سپس مخلوط هیدروژن-آرگون را خیلی سرد می کردند و آرگون را در یک تله ی زغال سرد گیر می انداختند. مقادیر بسیار کمی که بدست می آمد، در شمارنده‌هایی قرار داده می شد و دیویس می‌توانست تعداد اتم‌های آرگون رادیواکتیو را با نگاه کردن به پرتوهای ایکسی که هنگام واپاشی و تبدیل آنها به کلر منتشر می شد، تعیین کند.
برای اندازه‌گیری مقدار آرگون انباشته شده، بدون تداخلات پس‌زمینه ای، تیم دیویس شمارنده‌های پر از آرگون را در لوله‌های تفنگ ناوهای جنگی که قبل از ظهور بمب اتم ساخته شده بودند، وارد می کردند، چرا که فولاد تولید شده پس از انفجار بمب های هسته ای، آلودگی های رادیواکتیو منتشر شده در اتمسفر را در درون خود ذخیره می کند.
اگرچه چنین ناخالصی‌هایی ناچیز هستند، اما برای آزمایشی که روزانه تعداد اندکی اتم را جمع‌آوری می‌کند، دردسرساز خواهند بود. فولاد با پس زمینه ی پایین، که به فولای که قبل از دوران اتمی تولید شده بود گفته می شود، یک محافظ بدون آلودگی ارائه می کرد که به حفاظت ناشی از یک و نیم کیلومتر سنگ و خاک در بالای اتاق های آزمایش می افزود.
علیرغم همه ی تلاش های آنها، از همان اندازه گیری های اولیه مشخص بود که تعداد نوترینوهای خورشیدی کم هستند. نگرانی‌های دیویس در گزارشی که او برای نظریه‌پرداز، ویلیام فاولر، در اواخر سال ۱۹۶۷ ارسال کرد، آشکار است. دیویس می نویسد: «ما اکنون آماده‌ایم، خورشید را روشن کن».
به جای اینکه دیویس طبق تخمین باکال، به طور متوسط هفت و نیم نوترینو در روز مشاهده کند، دو و نیم نوترینو شمارش کرد. نه درخواستی از سر شوخی به فاولر، و نه تغییرات جزیی در محاسبات باکال، نتوانست انتظارات و مشاهدات را تطبیق دهد. ناسازگاری مرموز همچنان ادامه داشت.
معما عمیق تر می شود
به نظر می آمد که منشا اختلاف بین محاسبات باکال و آزمایش دیویس، در آشکارساز معدن Homestake، یا در مدل های نظری همجوشی ستاره ای، یا در خود نوترینوها باشد. دیویس در درجه ی اول به نظریه های همجوشی ستاره ای بی اعتماد بود. اما به عنوان یک آزمایش کننده ی سخت گیر، او تصمیم گرفت که مطمئن شود که آشکارساز ایرادی ندارد.
دیویس و تیمش راه های مختلفی را برای اطمینان از کارآمدی روش های جذب آرگون ارائه کردند: آنها مواد رادیواکتیو را به آشکارساز اضافه کردند تا فعالانه اتم های آرگون را از کلر تولید کنند و مطمئن شوند که می توانند آنها را در سیستم استخراج پیدا کنند. آنها ترکیبات کلر نشاندار شده ی رادیواکتیو را برای تولید شکل متفاوتی از آرگون تزریق کردند و مقدار مورد انتظار را پیدا کردند. همچنین آنها به دنبال اشکال غیر رادیواکتیو آرگون گشتند که ممکن بود از هوای بیرون به داخل نفوذ کرده باشد تا مطمئن شوند که جوشکاری مخزن بدون ایراد است. در یکی از خارق العاده ترین تست هایی که انجام دادند، آنها ۵۰۰ اتم آرگون رادیواکتیو را در مخزن ۱۰۰۰۰۰ گالنی قرار دادند، بدون اینکه پیشاپیش مقدار آن را به دیویس بگویند، و دیویس توانست همه ی آنها را پیدا کند.
برای درک عظمت کار، تصور کنید که می خواهید یک دانه شن مخفی شده در میان شن های ساحل را پیدا کنید. در مقایسه با شکار آرگون در آزمایش معدن Homestake، این کار بازی کودکانه ای خواهد بود. دیویس در حال تلاش برای یافتن اتم هایی بود که در بین مولکول هایی مخفی شده بودند که تعداد آنها تریلیون ها برابر بیشتر از تعداد دانه های شن در تمام سواحل جهان بود.
در دهه هایی که دیویس به دنبال نوترینوها در معدن هوم استیک بود، هیچ نقصی در آشکارساز یا در مراحل کار پیدا نکرد. نتیجه ی غیر قابل اجتناب این بود: تعداد نوترینوهای شمارش شده صحیح بودند. پس باید اشکال از درک ما از خورشید یا از خود نوترینوها باشد.
دامنه ی احتمالات مربوط به خورشید از غیر محتمل تا خارق العاده گسترش می یافت: وجود یک سیاهچاله در مرکز آن، نیاز به ایجاد تغییرات اساسی در مکانیک کوانتومی، یا حتی مرگ نزدیک ستاره ای که موتور حیات در سیاره ی ما است. اینها، چند مورد از پیامدهای شدیدتر مشکل نوترینوی خورشیدی بود. در سال ۱۹۶۸، پونتکوروو، که واکنش مرتبط با آزمایش دیویس را پیشنهاد کرده بود، از راه حلی حمایت می کرد که نوترینوها را مقصر می دانست.
پونتکوروو پس از حضور در کانادا به انگلستان نقل مکان کرده بود. در اواخر سال ۱۹۵۰، او و خانواده اش به طور ناگهانی و مرموزی ناپدید شدند. طبق گزارش های سیا، مدت کوتاهی پس از حضور در شوروی، او تلاش ها برای پالایش اورانیوم برای نیروگاه های هسته ای را رهبری می کرد. روزنامه ها در آن زمان فکر می کردند که پونتکوروو تخصص خود را در اختیار برنامه ی تسلیحات اتمی شوروی قرار داده است. در مقاله ای در نسخه ۲۵ آوریل ۱۹۵۳ در روزنامه Svenska Dagbladet در استکهلم آمده است: «گزارش شده است که کار بر روی بمب هیدروژنی روسیه تا آنجا پیشرفت کرده است که تحقیقات عملی با یک بمب آزمایشی تحت نظر پروفسور پونتکوروو در ژوئیه ی امسال انجام خواهد شد.» این مقاله ی خبری زمان آزمایش را به اندازه ی یک ماه اشتباه کرده بود، قرار بود آزمایش در اوت ۱۹۵۳ انجام شود نه در جولای.
در سال ۱۹۵۶ پونتکوروو انتشار مقالات علمی از سرزمین جدید خود، اتحاد جماهیر شوروی را از سر گرفت. یک بار دیگر علاقه ی او به سمت نوترینوها رفت.
همراه با نظریه پرداز برجسته ی روسی، ولادیمیر گریبوف، پونتکوروو پیشنهاد کرد که نظریه های چرخه ی همجوشی خورشید درست هستند، به این معنی که «نوترینوهای الکترونی» از واکنش های خورشیدی ساطع می شوند، درست همان طور که انتظار می رفت، و آزمایش های دیویس هم در گرفتن آنها موثر عمل می کنند. گریبوف و پونتکوروو استدلال کردند که «نوترینوهای الکترونی» کمتری به آشکارساز معدن Homestake می رسند، نه به این دلیل که واکنش های کمتری در خورشید رخ می دهد، بلکه به این دلیل که نوترینوها در مسیر رسیدن به زمین هویت خود را تغییر می دهند.
درست مانند تجربه ی دیویس از آزمایش راکتور رودخانه ی ساوانا، این واقعیت که نوترینوها گم شده بودند تقریبا به همان اندازه مهم بود که پیدا کردن آنها. در ساوانا، باعث اثبات وجود پادنوترینوها شد. در لید، داکوتای جنوبی، هم مساله مهمی را نشان می داد.
در سال ۱۹۵۹، پونتکوروو برای اولین بار پیشنهاد کرد که نوترینوی مرتبط با پسر عموی سنگین الکترون، میون، در واقع با نوترینوی الکترون متفاوت است. پونتکوروو و گریبوف نشان دادند که تبدیل شدن از یک گونه ی نوترینویی به گونه ای دیگر، به علت اختلاف جرم بین نوترینوهای الکترون و میون می تواند رخ دهد. با توجه به اینکه در آن زمان مشخص نبود که نوترینوها اصلا جرم دارند یا نه، این نظریه در ابتدا نامزد اصلی برای توضیح مشکل نوترینوهای خورشیدی نبود. این مساله سه سال بعد تغییر کرد، زمانی که لدرمن، شوارتز، و اشتاین برگر، که از نظریه ی پونتکوروو بی اطلاع بودند، به طور تجربی تمایز بین نوترینوهای الکترونی و نوترینوهای میونی را تایید کردند.
اگر که بیشتر از یک نوع نوترینو وجود داشته باشد، آن طور که پونتکوروو و گریبوف پیشنهاد کردند، نوترینوهایی که از خورشید بیرون می آیند می توانند در سفر ۱۵۰ میلیون کیلومتری شان به سمت زمین، از یک نوع به نوعی دیگر نوسان کنند. در نتیجه، آنها به جای مجموعه ای یکدست از نوترینوهای الکترونی که از همجوشی ستاره ای ایجاد شده اند، به صورت مخلوطی از نوترینوها به زمین می رسند. این روزها ما به انواع نوترینوها، «طعم» می گوییم. زمانی که پونتکوروو و گریبوف پیشنهاد کردند که نوترینوها از طعمی به طعم دیگر تغییر می کنند، آنها فقط به طعم های الکترون و میون توجه داشتند.
در اواسط دهه ۱۹۷۰، یک پسر عموی دیگر الکترون که سنگین تر هم بود، به نام تاو لپتون کشف شد. اگر الکترون و میون با نوترینوهای مرتبط همراه باشند، در نتیجه تاو نیز باید همین طور باشد. و بنابراین نوترینوی تاو نیز در نوسانات نقش دارد و این مساله می تواند تغییر طعم ها را پیچیده تر کند.
با فرض اینکه نوترینوها بین انواع مختلف نوسان می کنند، لینکلن ولفنشتاین از دانشگاه کارنگی ملون متوجه شد که عبور آنها از میان ماده باید نوسان آنها را تغییر دهد. فیزیکدانان اهل شوروی، استانیسلاو میخایف و الکسی اسمیرنوف، محاسبه کردند که پس از ایجاد نوترینوها در خورشید، با حرکت آنها از سمت هسته و از میان پلاسمای خورشیدی، نوسان آنها افزایش می یابد.
اگرچه نوترینوهای همجوشی به راحتی از خورشید عبور می کنند، اثر MSW (که از حروف اول نام خانوادگی میخایف، اسمیرنوف، و ولفنشتاین تشکیل شده است) نشان می دهد که ستارگان برای نوترینوها کاملا هم شفاف نیستند. طبق تئوری MSW، همان طور که سرعت نور در آب کند می شود، نوترینوها نیز در طی عبور از پلاسمای متراکم خورشید کند می شوند. این به آنها زمان بیشتری برای نوسان می دهد و این احتمال را افزایش می دهد که «نوترینوهای الکترونی» که از همجوشی خورشید متولد شده اند، با دور شدن از خورشید به انواع مختلفی تبدیل شوند.
معما حل شد
حمایت از این ایده که نوسانات نوترینو ممکن است علت کسری، در اندازه گیری های دیویس باشد، در حال افزایش بود. با این حال، شلدون گلاشو، فیزیکدان هاروارد، از جمله افرادی بود که گمان می کرد که خورشید ممکن است مقصر باشد نه ذرات زیراتمی. دیدگاه او کمتر از برخی از دیدگاه های دیگر، حالت آخرالزمانی داشت.
ستاره ما در حال مرگ نبود. در عوض، او پیشنهاد کرد که کمبود نوترینوها فقط مرحله ای است که در نتیجه ی نوسانات لرزه ای در هسته ی خورشید رخ داده است و از آن عبور خواهد کرد. او و همکارش آلوارو دی روژولا از سرن در سال ۱۹۹۲، از این ایده حمایت کردند که شاید باید صبور بود و داده های بیشتری را در طول زمان جمع آوری کرد. ممکن است تولید نوترینوهای خورشیدی در کمترین حالت خود باشد. در این صورت، نوترینوها معادل خورشیدی لرزه سنج ها روی زمین هستند.
دی روژولا و گلاشو نوشتند: «اگر آزمایش های نوترینو، ضربان قلب خورشید را نشان دهند، در آن صورت این خورشید است که نوسان می کند، نه نوترینو.»
گلاشو سی سال بعد به یاد می آورد که «در آن زمان در مورد نوسانات نوترینو تردید وجود داشت»، تا اینکه یک اعلام قطعی موضوع را حل کرد.
اگرچه گلاشو از جمله کسانی بود که در مورد نوسانات نوترینوهای خورشیدی تردید داشت، اما او یکی از اولین طرفداران تحقیق در مورد نوسان نوترینوهای ایجاد شده در اثر برخورد پرتوهای کیهانی به جو زمین بود. او در سخنرانی خود در سپتامبر ۱۹۷۹ در کنفرانس «کوارک ها و لپتون ها» در فرانسه این موضوع را پیشنهاد کرد. رینز نیز همین کار را با جزئیات بیشتر، یک ماه بعد در شانزدهمین کنفرانس بین المللی پرتوهای کیهانی در کیوتوی ژاپن پیشنهاد کرد.
با این وجود، هر دو آمریکایی از پونتکوروو که در حال تحقیق روی نوسانات نوترینوهای اتمسفر بود، عقب بودند. پونتکوروو و همکارانش در رصدخانه ی نوترینوی موسسه تحقیقات هسته ای، در سال ۱۹۷۶ این آزمایش را توصیف کرده بودند. یک سال بعد، آنها در حال کار در تاسیسات زیرزمینی در نزدیکی مسکو بودند. پونتکوروو محاسبه کرد که آزمایش آنها حداقل تا حدودی قادر به شناسایی نوسانات نوترینوهای جوی خواهد بود.
با وجود شروع زودتر، شوروی در مسابقه ی یافتن نوسانات نوترینو پیروز نشد. در عوض، آشکارساز نوترینویی ژاپن، Super-Kamiokande، برای اولین بار این اثر را در نوترینوهای جوی مشاهده کرد، و سپس رصدخانه ی نوترینوی سادبری کانادا، سه سال بعد نوسانات نوترینوی خورشیدی را تایید کرد.
گلاشو با اشاره به کشف اینکه تعداد نوترینوهای میونی که از میان زمین رد می شوند کمتر از آن چیزی است که از بالا به سطح زمین می بارد، می گوید: «من در آن کنفرانس در سال ۱۹۹۸ در تاکایامای ژاپن بودم که ژاپنی ها اعلام کردند که نوسانات نوترینوهای جوی را مشاهده کرده اند.» این نشانه ی آن بود که آنها باید هویت خود را در حین عبور از میان زمین تغییر دهند. «این زمانی بود که همه شروع به باور کردند ... که واقعا نوسانات نوترینو رخ می دهد.» گلاشو به یاد می آورد که پاسخ به اعلام این خبر، حداقل از یک جهت غیر عادی بود. گلاشو در مصاحبه ای در سال ۲۰۱۹ می گوید: «هرگز قبلا [در یک کنفرانس علمی] تشویق کردن به صورت ایستاده را ندیده بودم. وقتی آنها شواهد قطعی خود را برای نوسانات نوترینو نشان دادند، حضار به سمت یک مرد و یک زن برخاستند و کف زدند. این فوق العاده بود.»
طعم سوم، نوترینوی تاو، سرانجام در سال ۲۰۰۰ در Fermilab، خارج از شیکاگو، شناسایی شد. در سال ۲۰۰۱، یک آشکارساز که می توانست هر سه نوع نوترینو را ببیند، رصدخانه ی نوترینوی سادبری (SNO) در شمال انتاریو، تایید کرد که خورشید تقریبا به اندازه ای که باکال محاسبه کرده بود، نوترینو ساطع می کند. با توجه به اندازه گیری های معدن Homestake، واضح بود که نوترینوها در بین طعم های مختلف در نوسان هستند، همان طور که پونتکوروو حدس زده بود.
ذرات گمشده در آزمایش های دیویس، برای اولین بار به ما اطلاعاتی در مورد اسرار نوسانات نوترینوها دادند. با این حال، ترکیب نتایج دیویس با نتایج SNO، مقادیر مختلفی را برای ویژگی های نوترینوها که نوسانات را ممکن می کرد، ارائه می داد. داده های قطعی، نه از مشاهدات بیشتر نوترینوهای خورشیدی، بلکه از آزمایشی که در ارتباط با راکتورها در ژاپن انجام شد، بدست آمد.
آشکارساز KamLAND در سال ۲۰۰۲ در معدنی در ژاپن نصب شد، مکانی که قبلا توسط آشکارساز نوترینوی Kamioka (یا Kamiokande) اشغال شده بود. این آشکارساز از یک کره ی پر از سوسوزن مایع تشکیل شده است که توسط لوله های افزاینده ی نور احاطه شده است تا فلاش های نور تولید شده در هنگام تعامل نوترینوها با سوسوزن را تشخیص دهند. در منطقه ی اطراف آشکارساز بیش از ۲۵ راکتور وجود دارد که به طور متوسط ۱۸۰ کیلومتر با آن فاصله دارند. این راکتورها پادنوترینوهایی تولید می کردند که طیف انرژی آنها مشابه نوترینوهایی بود که دیویس در حال مطالعه ی آنها بود. این به KamLAND دسترسی به همان پارامترهای نوسانی را می داد که بر نوترینوهای خورشیدی حاکم بود.
اولین نتایج KamLAND که در اواخر سال ۲۰۰۲ منتشر شد، ابهامات قبلی موجود در مورد مشکل نوترینوی خورشیدی را برطرف کرد و مسیر طولانی را که تقریبا چهار دهه قبل در معدن Homestake آغاز شده بود با موفقیت به پایان رساند. همانطور که تئوری پیش بینی می کرد، KamLAND توانست نوسانات نوترینو را اندازه گیری کند و نشان دهد که چگونه با افزایش انرژی، نوسانات کاهش می یابد.
اخیرا، آشکارسازهایی از جمله Borexino در ایتالیا، مطالعه ی نوترینوها را به ذراتی با انرژی کم که از فازهای دیگر همجوشی خورشیدی می آیند، گسترش داده اند، و امکان مقایسه ی بالقوه ی نوسانات در همان فاصله ای که دیویس و باکال با آزمایش های معدن Homestake مطالعه می کردند، ولی با انرژی های متفاوت را فراهم کرده اند.
آزمایش های زمینی، اندازه گیری هایی را در فواصلی کوتاه تر، از تقریباً قطر زمین تا ده ها متر امکان پذیر می کنند. حتی قبل از کشف قطعی نوسانات توسط رصدخانه ی نوترینوی سادبری در سال ۲۰۰۱، آزمایش SuperKamiokande در ژاپن تفاوت هایی را در تعداد نوترینوهای تولید شده توسط پرتوهای کیهانی که به اتمسفر برخورد می کنند، نشان می داد. تعداد نوترینوهایی که در اثر برخورد پرتوهای کیهانی به اتمسفر از سمت بالای آشکارساز شناسایی می شدند، دو برابر تعداد نوترینوهایی بود که از میان زمین عبور می کردند و بعد شناسایی می شدند. این تفاوت نشان می داد که نوترینوها در حین عبور از زمین تغییر می کنند.
مطالعه روی نوسانات، که فواصل متفاوتی، از چند متر تا میلیون ها کیلومتر را در بر می گیرد، گواهی است بر این واقعیت است که نوترینوها جالب تر از آن چیزی هستند که زمانی که برای اولین بار در آزمایش های دیویس گم شدند، تصور می شد.
شاید مهم تر از آنچه که آزمایش ها در مورد نوترینو می گویند، پاسخ آنها به سؤالی باشد که بشریت را در طول اعصار به خود مشغول کرده است: چرا خورشید می سوزد؟ اگر همجوشی هسته ای موتوری است که ستاره ما را به حرکت در می آورد، پس نوترینوهای خورشیدی باید به تعدادی که باکال محاسبه کرده بود ایجاد شوند. کشف اینکه کمبودی وجود ندارد، بلکه نوترینوها در نوسان هستند، سرانجام تأیید کرد که خورشید بر اساس همجوشی هسته ای کار می کند.
دیویس هنگام دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۰۲، یک سال پس از تایید قطعی نوسانات نوترینو، گفت: «برخورد بین آزمایش های نوترینوهای خورشیدی و مدل خورشیدی استاندارد، به طرز شگفت انگیزی پایان یافته است. هیچ چیز در آزمایش ها یا در تئوری اشتباه نبود. بلکه مشکلی در نوترینوها وجود داشت.»
چیزی که نوترینوها اکنون می توانند به ما بگویند این است که خورشید هیچ مشکلی ندارد. بلکه به خوبی کار می کند. اگر که اتفاقی برای آن بیفتد، نوترینوها حدود هشت دقیقه پس از آن، به ما اطلاع خواهند داد.
۶
تغییر دهنده ی طعم باور نکردنی
هنگامی که گرگور سامسا یک روز صبح پس از رویاهای ناراحت کننده بیدار شد، خود را در حالی یافت که در رختخواب خود به یک حشره ی غول پیکر تبدیل شده است.
— فرانتس کافکا، مسخ
گرگور سامسا یک فروشنده دوره گرد نسبتاً غیرقابل توجه بود، به جز این واقعیت که در همان سطر اول کتاب مسخ فرانتس کافکا به طور ناگهانی و مرموزی به یک حشره تبدیل شد. نوترینوها به دلایل مختلف ذرات جالبی هستند، اما بسیار شبیه سامسا، این دگرگونی های آنهاست که آنها را بیشتر از هر چیز متمایز می کند.
همانطور که مشاهدات در پایان قرن گذشته تأیید کردند، خنثای کوچک پائولی، یک موجود ترکیبی است که در طول زمان تغییر می کند. ممکن است به صورت یک نوترینوی الکترونی بوجود بیاید، سپس به ترکیبی از نوترینوهای الکترونی، میونی، و تاوی تبدیل شود. در نهایت، می تواند به یک نوترینوی الکترونی تبدیل شود، اما بیشتر اوقات، تا حدودی، هر سه نوع است. برخلاف سامسا که در نهایت پس از تبدیل شدن به یک سوسک غول پیکر از گرسنگی و ناامیدی می میرد، نوترینوها معمولاً در میان مخلوطی از طعم ها به طور دائم در چرخش هستند.
دیدن تغییرات نوترینوها در طی مسافت، واضح تر از نگاه کردن به تغییرات آنها در طول زمان است. آزمایش ساندویچ باشگاه را که برای اولین بار به طور مشخص وجود نوترینوها را ثابت کرد، در نظر بگیرید. اگر تعداد ذرات را با یک آشکارساز که در نزدیکی راکتور قرار دارد اندازه گیری کنید، می توانید استنباط کنید که آنها به تعدادی تولید شده اند که باید از شکافت هسته ای در راکتور حاصل شده باشد.
اگر شما آشکارساز خود را به تدریج دور کنید، تعداد نوترینوها کاهش می یابد. این خیلی تعجب آور نیست؛ چرا که نوترینوها با دور شدن از منبع، پراکنده می شوند. به همین ترتیب، هرچه از یک لامپ دورتر شوید، به نظر می رسد که کم نورتر می شود، زیرا فوتون هایی که از آن ساطع می شوند در همه جهات پخش می شوند و در نتیجه تعداد کمتری از آنها به چشم شما می رسد.
برای راکتورها، دلیل دیگری وجود دارد که به نظر می‌رسد شدت جریان نوترینوی الکترونی با دور شدن شما کاهش می‌یابد، و سپس، با دور شدن بیشتر، دوباره شروع به افزایش می‌کند. انگار که از یک لامپ دور می‌شوید و در نقطه‌ای محو می‌شود، اما وقتی دورتر می‌شوید دوباره روشن می‌شود.
اگر به راه خود ادامه دهید و آشکارساز خود را به تدریج از راکتور دورتر کنید، محو شدن و روشن شدن سیگنال نوترینو ادامه خواهد یافت. این شواهدی از نوسانات نوترینو است: شانس تشخیص نوترینوهای الکترونی که از یک راکتور یا هر منبع دیگری می آیند، با تغییر فاصله از منبع نوسان می کند.
در عمل، انجام این آزمایش سخت است. بیشتر آشکارسازهای نوترینو بزرگ هستند. اندازه‌گیری نوسان در جریان نوترینو در فواصل فزاینده کار آسانی نیست، زیرا حرکت دادن مخزنی پر از صدها هزار گالن سیال خیلی دشوار است. برخی از آزمایش‌ها، نوترینوها را در فواصل ثابت و چندگانه اندازه‌گیری می‌کنند و سپس فیزیکدانان نتایج را با نظریه‌ای که نوسان را توصیف می‌کند، مقایسه می‌کنند. برخی دیگر به دانستن نوع و کمیت نوترینوهایی که از یک منبع پراکنده می شوند و مقایسه ی آن با انواع و مقادیر اندازه گیری شده در فاصله ای دور متکی هستند.
همانطور که پونته کوروو برای اولین بار پیشنهاد کرد، زمانی که شما از یک منبع دور می شوید، نوترینوها در واقع ناپدید نمی شوند و دوباره ظاهر نمی شوند. آنها در واقع در حال تبدیل شدن به نوع متفاوتی از نوترینو هستند - نوعی که آزمایشی مانند آزمایش کوان و رینز، نمی تواند آن را ببیند. بیشتر آزمایش‌هایی که نوسانات نوترینو را اندازه‌گیری می‌کنند، نشان می‌دهند که آنها در حال تبدیل شدن به نوترینوهای میون یا تاو هستند، اگرچه تعدادی از آزمایش‌ها نشان می‌دهند که چیزهای عجیب و غریب دیگری نیز ممکن است وجود داشته باشند.
معنای مسخ مرموز سامسا دهه‌هاست که در کلاس‌های ادبیات مورد بحث قرار گرفته است. اگرچه اسرار قابل توجهی در مورد جزئیات نوترینوها و نوسانات آنها وجود دارد، اما نظریه ی توصیف کننده این نوسانات واضح است و همه چیز به طعم و جرم بستگی دارد.
ارتباط طعم-جرم
طعم های موجود در غذا معمولاً ترکیبی از ادویه ها هستند. طعم های نوترینو نیز ترکیبی هستند. به جای جعفری، رزماری و مریم گلی، طعم های موجود در نوترینوها به عنوان حالت های جرمی شناخته می شوند. سه حالت جرمی که ترکیب می‌شوند تا طعم‌های نوترینو را بسازند به سادگی m1، m2 و m3 شماره‌گذاری می‌شوند.
هر طعم نوترینو از ترکیب متفاوتی از سه جرم ساخته شده است. پس از مخلوط شدن برای ایجاد طعمی خاص، نسبت حالت های جرم در یک نوترینو در طول زمان تغییر می کند. انگار در یک پذیرایی جادویی هستید و در حین صحبت، غذای بشقاب شما از شیرین به ترش تبدیل می شود. اگر طعمی را دوست نداشتید، فقط منتظر بمانید تا زمانی که در اتاق قدم می زنید، به طعم دیگری تبدیل شود. اگر در مکالمه غرق شدید و فرصت را برای خوردن غذای موجود در بشقاب خود زمانی که طعم دلخواه شما است از دست دادید، کمی صبر کنید تا تغییر کند و دوباره به ترکیب مورد علاقه شما تبدیل شود.
چه غذای جادویی باشد چه نوترینو، تغییر از یک نوع به نوع دیگر نوسان طعم است. ممکن است تصور کنید که برخی از چیزهایی که در اواسط مسیر نوسان طعم از شیرین به ترش بوده اند، طعم کمی از هر دو را دارند. اما اگر در یک مهمانی هستید که غذا از قوانین کوانتومی پیروی می کند، غذایی که میل می کنید منحصراً شیرین یا ترش خواهد بود. این یکی از ویژگی‌های اصلی مکانیک کوانتومی است که چیزها در مقادیر متمایز قرار می‌گیرند، چه بار الکتریکی روی یک الکترون، چه تکه‌های نور که فوتون هستند، یا طعم یک نوترینو. احتمال اینکه یک طعم خاص را بچشید تغییر می کند، اما هرگز دو طعم را همزمان نخواهید چشید.
احتمالاً به یک مهمانی دعوت نخواهید شد که در آن طعم غذا در نوسان باشد، اما طعم نوترینوها همیشه در نوسان است. به همین دلیل است که تعداد نوترینوهای خورشیدی دیویس کمتر از حد انتظار بودند - او به دنبال نوترینوهای الکترونی ترش بود و نمی توانست میون های شیرین یا نوترینوهای تاو را که از اتاق عبور می کردند ببیند.
اینکه چگونه ممکن است غذا در یک مهمانی از طعمی به طعم دیگر تغییر کند، خوراک خوبی برای تخیل است، اما قوانین حاکم بر نوسانات طعم نوترینوها به تفاوت بین سه ماده ی نوترینوها بستگی دارد. به بیان دقیق تر، در معادلاتی که نوسانات را توصیف می کنند، این تفاوت در مجذور جرم های سه حالت است که اهمیت دارد. برای اینکه بفهمیم نوترینوها چگونه نوسان می کنند، نیازی به دانستن جرم واقعی این سه حالت نداریم. این خوش شانسی است، زیرا جرم های نوترینوها بسیار کوچک هستند و اندازه گیری آنها دشوار است، اما نوسانات به راحتی قابل مشاهده هستند. در نتیجه، می‌توانید نوسانات را اندازه‌گیری کنید تا به تفاوت‌های بین حالت‌های جرمی دست پیدا کنید، حتی اگر ندانید که مقدار دقیق جرم‌ها چقدر است.
کمی شبیه این است که بدانید به کمی پاپریکا، اندکی نمک، و یک مشت جعفری نیاز دارید. به سختی می‌توان گفت که این مقادیر دقیقاً چقدر از یک قاشق چای‌خوری یا فنجان را تشکیل می دهند، اما وقتی چیزی را که از فر بیرون می‌آید مزه می‌کنید، می‌توانید تشخیص دهید که کدام را زیاد و کدام را کم اضافه کرده‌اید.
مشاهدات نوترینوهایی که مسافت های نسبتاً طولانی را طی می کنند، مانند مواردی که از خورشید می آیند، بیشتر به تفاوت بین دو حالت جرمی بستگی دارد که به نظر می رسد نسبتاً نزدیک به هم باشند. برای مشاهدات با برد کوتاه‌تر، مانند مشاهداتی که شامل نوترینوهای تولید شده در جو زمین می‌شود، نوسانات، تفاوت بزرگی در مجذور جرم را نشان می‌دهند. یعنی از سه حالت جرمی که به طعم نوترینو تبدیل می شوند، دو حالت به وضوح به هم نزدیک هستند. آنها حالت هایی هستند که فیزیکدانان m1 و m2 می نامند. سومی، m3، به طور قابل توجهی متفاوت است. ممکن است از نظر جرم بزرگتر از دو مورد دیگر یا شاید کوچکتر باشد، اما در هر صورت، از دو مورد دیگر متمایز است.
قبلی، بعدی