ذرات ریز «شبحی» میتوانند دلیل وجود جهان را توضیح دهند
تلاش مشترک دو آزمایش بزرگ نوترینوی جهان، دانشمندان را به درک عمیقتری از اینکه چگونه جهان از آغازهای خشن خود جان سالم بهجا گذاشت، نزدیک کرده است.
یافتهها میتوانند دلیل وجود ماده را نشان دهند — و اینکه چرا همه چیز مدتها پیش ناپدید نشد.
دانشمندان برای کشف دلیل وجود جهان متحد میشوند
یک پژوهشگر دانشگاه ایالتی میشیگان به رهبری یک همکاری پیشگامانه کمک کرده است که میتواند دانشمندان را به درک نزدیکتری از طرز شکلگیری جهان برساند.
برای اولین بار، دو آزمایش بزرگ نوترینوی جهان — T2K در ژاپن و NOvA در ایالات متحده — دادههای خود را ترکیب کردند تا درک جدیدی از نوترینوها، ذرات شبهشبحی که بهطور مداوم در فضا جریان دارند اما تقریباً هرگز با ماده دیگر تعامل نمیکنند، بهدست آورند.
تحلیل مشترک آنها که در نشریه Nature منتشر شد، برخی از دقیقترین اندازهگیریهای انجامشده از نحوه تغییر نوع نوترینوها هنگام سفر را ارائه میدهد. این دستاورد زمینه مهمی برای آزمایشهای آینده فراهم میکند که میتوانند درک ما از تکامل جهان را بازنگری کنند — یا نشان دهند که نظریههای کنونی ناقص هستند.
کندال ماهن، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه ایالتی میشیگان و همسخنگوی T2K، نقش رهبری در هماهنگی این پروژه ایفا کرد. با همکاری، دو آزمایش به سطح دقتی دست یافتند که هر یک بهتنهایی قادر به رسیدن به آن نبودند.
«این یک پیروزی بزرگ برای حوزهٔ ما بود»، ماهن گفت. «این نشان میدهد که میتوانیم این آزمایشها را انجام دهیم، میتوانیم نوترینوها را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم و میتوانیم در همکاری موفق باشیم.»
عدم تعادل کیهانی: چرا ماده بقا یافت
فیزیکدانان بر این باورند که در زمان شکلگیری اولیهٔ جهان، ماده و پادماده بهصورت مساوی وجود داشتهاند. اگر اینچنین باشد، این دو بهطور کامل یکدیگر را نابود میکردند. با این حال، بهگونهای که ماده زنده ماند، امکان شکلگیری ستارگان، سیارات و حیات را فراهم کرد — و دانشمندان هنوز بهطور کامل دلیل آن را درک نکردهاند.
اکثراً اکنون گمان میکنند که نوترینوها میتوانند پاسخ را در خود داشته باشند. این ذرات ریز و تقریباً بیجرم میتوانند توضیح دهند که چگونه ماده بر پادماده برتری یافت. پژوهشگران بهویژه به فرایندی به نام ارتعاش نوترینو (Neutrino Oscillation) علاقهمند هستند که در آن نوترینوها بهصورت خودبهخودی «طعم» یا نوع خود را در حین عبور از فضا تغییر میدهند.
«نوترینوها هنوز بهخوبی درک نشدهاند»، جوزف والش، همکار پسادکتری دانشگاه ایالتی میشیگان که در این پروژه کار کرد، گفت. «جرمهای بسیار کوچک آنها به این معناست که بهندرت با ماده دیگر تعامل میکنند. صدها تریلیون نوترینو از خورشید هر ثانیه از بدن شما عبور میکنند، اما تقریباً همه آنها بهسادهگی عبور میکنند. برای مشاهده و مطالعه آنها باید منابع بسیار پرقدرت تولید کنیم یا از آشکارسازهای بسیار بزرگ استفاده کنیم تا شانس کافی برای تعامل فراهم شود.»
چگونه T2K و NOvA ذرات گریزان را ردیابی میکنند
هر دو آزمایش T2K و NOvA، که بهعنوان آزمایشهای طولانیپایه شناخته میشوند، یک پرتو متمرکز نوترینو به سمت دو آشکارساز میفرستند: یک آشکارساز نزدیک به محل تولید پرتو، و یک آشکارساز دور که صدها مایل فاصله دارد. با مقایسهٔ اندازهگیریهای این دو، پژوهشگران میتوانند پیگیری کنند که نوترینوها هنگام سفر چگونه تغییر میکنند.
اگرچه T2K و NOvA اهداف مشابهی دارند، اما در فاصلهها و دامنههای انرژی متفاوتند. این اختلاف باعث میشود دادههای آنها مکمل هم باشند — و ترکیب آنها تصویر کاملتری از رفتار نوترینوها به دانشمندان ارائه میدهد.
معمای جرم نوترینو
یکی از بزرگترین رازهای فیزیک ذرات به نام «ترتیب جرم نوترینو» شناخته میشود — تعیین اینکه کدام نوع نوترینو سبکترین است. پاسخ بهسادگی نمیتواند داده شود زیرا هر «طعم» نوترینو ترکیبی از سه حالت جرمی است و هر حالت جرمی رفتار متفاوتی دارد.
دو احتمال اصلی وجود دارد. در ترتیب «نرمال»، دو حالت جرمی سبک و یک حالت سنگین هستند. در ترتیب «معکوس»، این الگو برعکس میشود. این ترتیبها بر چگونگی تبدیل طعم نوترینوها و پارتنرهای پادمادهشان، بهنام آنتینوترینوها، تأثیر میگذارند.
در حالت نرمال، نوترینوهای میونی احتمال بیشتری برای تبدیل به نوترینوهای الکترونی دارند، در حالی که آنتینوترینوهای میونی کمتری این کار را انجام میدهند. در حالت معکوس، وضعیت برعکس است. اگر نوترینوها و آنتینوترینوها رفتار متفاوتی داشته باشند، به این معنی است که آنها تقارن بار‑پاریتی (CP) را نقض میکنند — اصولی که میگوید ماده و پادماده باید یکدیگر را آینهای منعکس کنند. این نقض میتواند کمک کند تا توضیح داده شود چرا جهان ماده دارد.
آنچه نتایج نشان میدهند
تحلیل ترکیبی NOvA و T2K هنوز بهطور قطعی هیچیک از ترتیبهای جرمی را ترجیح نمیدهد. اگر ترتیب نرمال درست باشد، دادههای فعلی در مورد تقارن CP واضح نیستند. اما اگر نتایج آینده ترتیب معکوس را تأیید کنند، یافتههای منتشر شده اکنون نشان میدهند که نوترینوها ممکن است واقعاً تقارن CP را نقض کنند.
تلاش جهانی برای کشف
اگرچه این یافتهها هنوز معمای نوترینوها را حل نکردهاند، اما دانش ارزشمندی دربارهٔ رفتار این ذرات اضافه میکنند و نشان میدهند که همکاری علمی در مقیاس بزرگ میتواند چه دستاوردی داشته باشد.
همکاری NOvA شامل بیش از ۲۵۰ دانشمند و مهندس از ۴۹ مؤسسه در هشت کشور است. تیم T2K بیش از ۵۶۰ عضو از ۷۵ مؤسسه در ۱۵ کشور دارد. کار ترکیبی آنها در سال ۲۰۱۹ آغاز شد و بر پایهٔ هشت سال دادههای NOvA و ده سال دادههای T2K استوار است. هر دو آزمایش به جمعآوری دادههای جدید ادامه میدهند تا تحلیل را بهبود و گسترش دهند.
«این نتایج نتیجهٔ همکاری و درک متقابل دو همکاری منحصربهفرد است، که هر دو شامل بسیاری از متخصصان فیزیک نوترینو، فناوریهای آشکارساز و تکنیکهای تحلیل، در محیطهای بسیار متفاوت، با روشها و ابزارهای مختلف کار میکنند»، تاماش نوسک، همکار T2K، گفت.
مرجع: «تحلیل مشترک ارتعاش نوترینو از آزمایشهای T2K و NOvA» توسط همکاری NOvA و همکاری T2K، ۲۲ اکتبر ۲۰۲۵، Nature.
DOI: 10.1038/s41586-025-09599-3
هرگز از یک پیشرفت مهم عقب نمانید: در خبرنامه SciTechDaily عضو شوید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.