تبیان، دستیار زندگی

همه چیز به سال1930 بازمی‌گردد. زمانی كه فیزیكدان اتریشی به نام وولفگانگ پائولی از نتایج مطالعاتی خبر داد كه نشان می‌دادند پرتوهای هسته‌ای شامل ذرات الكتریكی خنثی هستند كه به احتمال فراوان جرمی ندارند. این ذرات نوترینو نام گرفتند كه در زبان ایتالیایی به معنای خنثی كوچك است. پائولی به سرعت متوجه شد كه شانس ردیابی یك ذره نوترینو بسیار ناچیز است و حتی همان زمان نیز با صراحت مدعی شد هیچ كس هم نخواهد توانست این ذرات را به دام بیندازد. امروزه شانس بسیار ناچیزی كه وی مطرح كرده بود همچنان پابرجاست، اما با این تفاوت كه میزان این شانس بیشتر از گذشته شده است. نكته مهم این كه زمانی كه پای چهره‌های متعدد علمی به این مقوله باز می‌شود، شانس به دام انداختن این ذرات نیز به نوبه خود بیشتر می‌شود. این یك حقیقت پذیرفته شده علمی است كه نوترینوها از هر ماده‌ای كه بر سرشان باشد در كمترین زمان ممكن عبور می‌كنند بدون آن كه سدی در برابرشان توانایی ایستادگی داشته باشد، اما این هم منطقی است كه بپذیریم اگر در نزدیكی یكی از منابع تولیدكننده این ذرات باشیم، به عنوان مثال منبعی كه در هر ثانیه میلیاردها ذره نوترینو تولید می‌كند، این شانس را داریم كه حداقل یك یا دو ذره از این ذرات را شكار كنیم. این خبری هیجان‌انگیز و البته خوشحال‌كننده برای دانشمندان و بخصوص فیزیكدانان است.

سال 1951 دو فیزیكدان آمریكایی به نام‌های كلاید كاون و فرد رینس از یك رآكتور اتمی برای تولید انبوهی از نوترینوها استفاده كردند. این دستگاه در هر ثانیه 10 تریلیون ذره نوترینو به ازای هر سانتی‌متر مربع تولید می‌كرد. آنها عنوان هیجان‌انگیز پروژه شبح را بر آزمایشات خود گذاشتند. علت آن نامگذاری به طبیعت بسیار خاص این ذرات باز می‌گشت كه نه‌تنها دیده نمی‌شدند بلكه می‌توانستند از هر ماده‌ای عبور كنند. در تابستان 1956 و در رآكتور ریور ساوانا در جنوب شرق آمریكا رویای دانشمندانی كه سال‌ها به دنبال شكار حتی یك ذره نوترینو بودند به واقعیت تبدیل شد. در آن سال و در آن مركز نخستین نوترینو شكار شد. كاون و رینس خوشحال از این دستاورد تاریخی برای وولفگانگ پائولی كه در سال 1930 و برای نخستین بار وجود ذرات نوترینو را ثابت كرده بود، پیغامی فرستادند و در آن نوشتند كه باید شانس بیشتری برای شكار این ذره در نظر می‌گرفته است. شكار این ذره در حالی صورت می‌گرفت كه دنیا وارد عصر اكتشافات فضایی شده بود. افسانه آپولوها در آسمان و شكار ناشناخته‌ترین ذره موجود در عالم روی زمین سراسر جهان را مملو از هیجانات مربوط به كشفیات و دستاوردهای علمی كرده بود.

اما اكنون این پرسش مطرح می‌شود كه این فیزیكدانان برای شكار این ذره نوترینو چه اقدامی انجام داده بودند كه تا پیش از آن هیچ دانشمند دیگری موفق به انجام آن كار نشده بود. آنچه آنها انجام داده بودند شامل قرار دادن دو تانك بزرگ مملو از آب در اعماق زمین بود. این دو تانك در فاصله 11 متری از رآكتور قرار داشتند. زمانی كه یك ذره نوترینو به یكی از الكترون‌های موجود در آب برخورد می‌كند دقیقا همان حالتی روی می‌دهد كه در برخورد توپ بیلیارد با توپ‌های ثابت روی میز دیده می‌شود. بر اثر این برخورد فلش نوری ایجاد شد كه با استفاده از دستگاه‌های الكترونیكی مخصوصی كه در اطراف مخزن قرار داشت، ثبت شد. قرار گرفتن مخازن در چنین عمقی از زمین به این خاطر صورت گرفت كه آنها را از پرتوهای كیهانی مصون نگاه دارند. این پرتوها در حقیقت ذرات انرژیكی هستند كه از فضاهای دور به زمین رسیده و می‌توانند نتایج آزمایش‌هایی از این دست را دستخوش تغییرات زیادی كنند. با استفاده از این ردیاب به ظاهر ساده، دانشمندان برای نخستین بار توانستند اطلاعاتی هرچند مختصر درباره نوترینوها به دست آوردند. این اطلاعات شامل انرژی این ذرات و همچنین محل پیدایش آنها می‌شد. آنچه این دانشمندان انجام داده بودند در حقیقت طراحی و ساخت نوعی تلسكوپ نوترینویی بود كه از آن به عنوان پنجره‌ای تازه به سوی عالم یاد می‌شود.

نجوم هم وارد گود شد..

اكنون فیزیك اخترشناسان به این نتیجه رسیده بودند كه سقوط جاذبه‌ای یك ابرنواختر می‌تواند منبع عظیمی از تولید نوترینوها باشد. در این میان باید به نكته‌ای ظریف توجه كرد و آن این‌كه نور فلش مانندی كه از بابت سقوط جاذبه‌ای یك ابرنواختر دیده می‌شود، تنها بخش بسیار كوچكی از رویداد عظیم كیهانی است كه در آن نقطه از عالم روی داده است. دانشمندان با محاسبه شمار نوترینوهایی كه در آن روز تاریخی ردیابی كردند و همچنین اطلاعاتی كه درخصوص فاصله آن ابرنواختر از زمین داشتند، توانستند محاسباتی درخصوص ویژگی‌های مربوط به این ذرات و از جمله میزان انرژی نهفته در آنها انجام دهند. این محاسبات نشان داد كه نظریه ابرنواخترهای صحیح بوده است، یعنی زمانی كه ستارگان در خود فرو می‌ریزند حجم عظیمی از ذرات نوترینو را از خود رها می‌كنند. این عدد بسیار بزرگ است یعنی 10 به توان 59 یا به عبارتی دیگر عدد یك و 9 صفر كه در مقابل آن قرار می‌گیرد. اگر بخواهیم این عدد را بخوانیم باید بگوییم: 100 میلیارد تریلیون تریلیون تریلیون تریلیون نوترینو! بدیهی است كه تصور كنیم این حجم عظیم از ذرات نوترینو میزان انرژی عظیمی نیز در خود نهفته دارند. پس از انجام این محاسبات تاریخی بود كه فیزیك اخترشناسان بر آن شدند تا نگاه دقیق‌تری روی ابرنواخترها داشته باشند.

اما در حالی كه مخازن آبی قرار گرفته در عمق زمین ابتكار عمل خوب و موثری برای شكار نوترینوها به شمار می‌آید، باید برای شكار دسته‌های بزرگ‌تر، تور وسیع‌تری نیز پهن كرد. در اینجا صحبت از نوترینوهایی است كه از فواصل بسیار دور كیهانی به زمین می‌رسند. بزرگ‌ترین تور شكار نوترینویی كه تاكنون ساخته شده همان Ice Cube راه‌اندازی شده در قطب جنوب است. این پروژه بزرگ فاصله چندانی تا تكمیل شدن ندارد. البته در اینجا برای این‌كه نوترینوها را به دام بیندازند نه از آب بلكه از یخ استفاده می‌كنند. البته بدیهی است كه استفاده از یخ در قطب جنوب همانقدر ساده است كه خواستن از دانشمندان برای تولید یخ و نگاه داشتن آن در دمای مورد نظر برای مدت طولانی و آن هم در حجم بالا در خانه كاری دشوار است. دقیقا به همین خاطر بوده است كه این پروژه بزرگ در قطب جنوب آغاز شده است. قرن‌های طولانی است كه در قطب جنوب برف می‌بارد. این حجم عظیم برف در لایه‌های زیرین یخی این منطقه فشار خیره‌كننده‌ای تولید كرده است كه در زیر آن تمامی حباب‌های هوا، له شده‌اند. دانشمندان از صدها حسگر در عمق یخ‌های به كار گرفته شده در پروژه Ice Cube استفاده می‌كنند. اكنون كه این گزارش را می‌خوانید تنها چند روز از قرار گرفتن آخرین سری این حسگرها در دل یخ‌های مورد نظر گذشته است. در دنیای فیزیك اتفاقات بسیار خاصی نیز روی می‌دهد كه یكی از آنها در این پروژه دیده می‌شود. برخورد نوترینوها به یك اتم یخ موجب تولید ذره دیگری به نام muon می‌شود. این ذرات نور آبی تولید می‌كنند كه به وسیله حسگرهای نوری ثبت می‌شوند و از آنجا كه یخ كاملا شفاف و خالص است، پرتوهای نور آبی می‌توانند بی‌آن كه افت رنگ پیدا كنند تا صدها متر در دل یخ نفوذ كنند.

مشكلی كه در اینجا وجود دارد و درخصوص نوترینوهایی كه از رویدادهای بسیار دور دست كیهانی تولید و روانه زمین می‌شوند نیز دیده می‌شود، این است كه muon‌ها زمانی تولید می‌شوند كه پرتوهای كیهانی با اتم‌های اتمسفریك زمین برخورد می‌كنند، اما ازآنجاكه نوترینوها تنها ذرات شناخته شده‌ای هستند كه می‌توانند از زمین نیز عبور كنند، پروژه Ice Cube می‌تواند از زمین به عنوان فیلتر استفاده كند.

دانشمندان دریافته‌اند شدت نوترینوهایی كه از سایر ستارگان تولید می‌شود در مقایسه با نوترینوهایی كه از خورشید تولید و روانه زمین می‌شوند همچون شب پرستاره در برابر روز است. شكار نوترینوهایی كه از خورشید به زمین می‌رسند كار بسیار دشواری است چه برسد به نوترینوهایی كه از عمق كیهان راهی زمین می‌شوند. برای این دسته اخیر به تورهای بزرگ شكار نیاز است و پروژه Ice Cube همان تور بزرگ مورد نظر دانشمندان است. پروژه Ice Cube به ما كمك خواهد كرد تا چیزهایی را در عالم ببینیم كه در روز روشن قابل رویت نیستند. همچنین اطلاعات ارزشمندی درخصوص امواج الكترومغناطیسی در اختیار ما قرار می‌دهد. پس از همین حالا پرسش‌هایی را كه دانشمندان به دنبال دستیابی به پاسخ آنها درخصوص دنیای نوترینوها هستند باید با استفاده از نتایج تحقیقات صورت گرفته در پروژه Ice Cube حل شده تصور كرد، اما فقط یك امای كوچك دارد؛ تا یك دهه دیگر باید صبر كرد.

قطب جنوب به عنوان سردترین، خشك‌ترین و بادخیزترین نقطه زمین شناخته شده است، اما همین نقطه بسیار سخت مكان ایده‌آلی برای ساخت یكی از كاربردی‌ترین پروژه‌های علمی بشر به شمار می‌آید، یعنی رصدخانه نوترینویی. آنچه این نقطه را برای ساخت این رصدخانه ایده‌آل می‌كند، حجم عظیم یخ‌های شفاف و خالصی است كه برای كار دانشمندان مورد نیاز است.

1 ـ در جریان برخورد پرتوهای كیهانی با اتم‌های اتمسفریك شمار قابل توجهی از ذرات muon تولید می‌شوند كه در پروژه Ice Cube بخوبی تشخیص داده می‌شوند، اما muon‌هایی كه از زیر به بالا می‌آیند به وسیله نوترینوهایی تولید شده‌اند كه از زمین عبور كرده‌اند و به احتمال فراوان اساس كیهانی دارند.

2 ـ ذره نوترینو با اتمی در یخ برخورد می‌كندو به muon باردار الكتریكی تبدیل می‌شود كه در ادامه، نور آبی از خود برجای می‌گذارد.

3 ـ حسگرهایی كه هر یك به اندازه یك توپ بسكتبال هستند این نور آبی را ردیابی می‌كنند. دانشمندان با مقایسه داده‌های به دست آمده از این حسگرها می‌توانند مسیر حركت muon‌ها و در نتیجه نوترینویی كه آن را تولید كرده است، دنبال كنند.

4 ـ این حسگرها سیگنال‌هایی را به سیستم‌های رایانه‌ای می‌فرستند كه این رویدادها را ثبت می‌كنند. پیش‌بینی می‌شود روزانه تا یك هزار مورد از این رویدادها اتفاق افتد.