نوترینو سترون

نوتروینو سترون‌های عجیب غریب ممکن است وجود نداشته باشند، داده‌های جدید راکتورهای هسته‌ای نشان می‌دهد

دهه‌ها است که فیزیکدانان ذراتی به نام نوترینو می‌شناسند که هیچ بار و ماده‌ای با دیگر مواد تعامل نمی‌کنند. نوترینوها در  سه نوع الکترون، میون و تاو هستند. و برای مدت‌ها، برخی نظریه‌پردازان استدلال می‌‌کنند که چهارمی به نام نوترینو سترون یا نوترینو استریل نیز می‌تواند وجود داشته باشد که حتی عجیب‌تر و بی‌تاثیرتر از پسر خانه‌های آشنایش است. اما ضربه‌ای کارا به نوترینو سترون وارد شد همچنان که آزمایشی در چین نظریه وجود نوع چهارم نوتروینو را کاملا ویران کرد.

انواع مختلف نوترینوها از واپاشای و تعاملات ذرات مختلف متولد می‌شوند. برای مثال نوترینو الکترون (دقیق‌تر، پاد‌نوترینو الکترون) زمانی که هسته‌های اتمی مانند تریتیوم تحت نوعی از واپاشی رادیو اکتیو به نام «واپاشی بتا» قرار می‌گیرند و تبدیل به هسته‌های کمی کوچکتر هلیم-۳ می‌شوند، یک الکترون و پادنوترینو را به پیرون پرت می‌کند. به طور مشابه، نوترینو میون از واپاشی ذراتی به نام میون که معمولا در پرتوهای کیهانی یافت می‌شود پدید می‌آید. و نوترینو تاو در واپاشی ذرات سنگینی به نام تاو که می‌تواند از شکست اتم تولید شود به وجود می‌آید.

از ۱۹۹۸ دانشمندان دانستند که نوترینوها در نزدیک سرعت نور داغ می‌شوند و می‌توانند از نوعی به نوع دیگر تغییر کنند، بنابراین یک نوترینو میون می‌تواند به یک نوترینو الکترون تبدیل شود، و همچنین بقیه‌ها. یک نوترینو استریل نوع چهارمی است که نمی‌تواند از واپاشی هر ذره شناخته شده یا حتی تعامل ذرات معمول پدید بیاید. در عوض، آن می‌تواند تنها اگر یکی از نوترینوها به دیگری تبدیل شود به وجود بیاید.

برای ۲۰ سال، آزمایش‌های مختلفی برای شکار نوترینو‌ سترون‌ها که جرمی حدود ۱ ولت الکترون، یعنی حدود ۱۰ تا ۱۰۰ بار بزرگتر از دیگر نورترینو‌ها، دارند انجام شد. برای مثال، از ۱۹۹۳ تا ۱۹۹۸ فیزیکدانان با استفاده از دستگاهی به نام آشکار ساز نوترینو سانتیلاتور مایع در آزماشگاه ملی لوس آلاموس در نیو مکزیکو روی شعاعی از نوترینو میون مطالعه کردند و سرنخ وسوسه‌انگیزی از اینکه آنها ممکن است به نوترینو استریل تبدیل شده باشند یافتند. مدرک دیگر از دو مطالعه شروع شده در ۱۹۹۰ در روسیه و آلمان می‌آید که برای تشخیص نوترینو الکترون از آفتاب طراحی شده بود. هر دو آزمایش از نشانگرهای ساخته شده از گالیم استفاده کردند و زمانی که آنها را با منابع رادیواکتوی واسنجیدند، تعداد بسیار کم‌تر از آنچه باید باشد نوترینو الکترون شمارش شد، این نشان می‌داد که نوترینو الکترون‌ها سریعا به نوترینو سترون تبدیل شده‌اند.

آخرین شاهد برای نوترینو استریل در ۲۰۱۱ ظاهر شد، زمانی که تیمی از نظریه‌پردازان با استدلال بیان کردن که آزمایش‌های مختلف  پادنوترینو الکترون‌ها در نزدیکی راکتورهای هسته‌ای  نشان می‌دهد که تعداد پادنوترینوها کمتر از آنچه که باید باشند هستند. ناهنجاری پادنوترینوها نشان می‌دهد که پادنوترینوها به شکل نوترینو سترون تغییر یافته‌اند. در واقع این ناهنجاری ایده وجود نوترینو سترون را شعله‌ور می‌کند، این را پاتریک هابر، نظریه‌پرداز موسسه پلی‌تکنیک و دانشگاه ایالتی ویرجنیا و مشارکت کننده در آزمایش راکتور نوترونی خلیج دابا در چین گفت.

اکنون، دانشمندان با به دست آمدن داده گزارش شده از خلیج دابا توضیح ساده‌تری یافته‌اند: دانشمندان تنها تعداد نوترینوهای متولد شده از انواع هسته‌های پرتوزای تولید شده در شکافت یک عنصر سوخت هسته‌ای استاندارد کمی زیاد تخمین زده‌اند.

آزمایش خلیج دابا، شش آشکار ساز را در سه خوشه، همگی درون ۱.۹ کیلومتری نزدیک راکتورها، را مقایسه کرد. فیزیکدانان روی پادنوترینوها از هسته‌های این راکتورها مطالعه کرده و در ۲۰۱۲ گزارش میزان پارامتر کلیدی در تبدیل نوترینوها را گزارش دادند.

دستگاه‌های راکتور هسته‌ای از شکافت چهار هسته اتم متفاوت به نام‌های اورانیوم-۲۳۵ ، اورانیوم -۲۳۸، پلوتونیوم-۲۳۹، و پلوتونیم ۲۴۱  انرژی می‌گیرند. این هسته‌ها به صورت تصادفی شکافته می‌شوند تا هزاران بار سبک‌تر گردند. بنابراین برای مثال اورانیوم-۲۳۵ می‌تواند به کریپتون-۸۹ شکافته شود. کریپون-۸۹ غنی از نیوترون، مکررا با تکرار فروپاشی بتا تبدیل به روبیدیوم-۸۹، سترونیتیوم ۸۹ ، و ایتریوم-۸۹  تبدیل می‌شود، در هر گام یک پادنوترینو به بیرون پرتاب می‌شود. بنابراین هر نوع هسته قابل شکافت می‌تواند به تعداد بیشمار هسته‌هایی که پادنوترینو را بیرون پرتاب می‌کنند تبدیل شوند. و فیزیکدانان میزان طیف کلی پادنوترینوهای منشا گرفته با هر چهار ایزوتوپ کلیدی را دارند.

مهمتر از همه، مقدار نسبی چهار ایزوتوپ همچنان که راکتور سوختش را مصرف می‌کند تغییر می‌یابد. این سوخت به عنوان مخلوطی از ایزوتوپ‌های اورانیوم شروع می‌شود، و ایزوتوپ‌های پلوتونیم در محل پرورش قرار می‌گیرند. بنابراین در سر تا سر عمر این سوخت -حدود ۱۸ ماه- مقدار اورانیوم-۲۳۵ کاهش می‌یابد. با اندازه‌گیری طیف پادنوترینوها و دانستن شکاف‌های اورانیوم-۲۳۵ در هسته، فیزیکدانان خلیج دابا توانستند نشان دهند که کمبود تعداد پادنوترینوها با مقدار اورانیوم-۲۳۵ کم و زیاد می‌شود، آنها در یک پیش‌پرینت پست شده در سرور ارکسیو گزارش دادند.

این گزارش این حس را القا می‌کند که فیزیکدانان تعداد پادنوترینوهای حاصل از واپاشی اورانیوم-۲۳۵ مقداری پایین تخمین زدند، هابر گفت. و همچنین این حس را القا نمی‌کند که این تاثیر ایجاد شده به وسیله تغییر پادنوترینو الکترون‌ها به یک سترون باشد، چون در این صورت باید مقدارکمبودی ثابت باشد، او توضیح داد. «به طور واضح نتایج خلیج دابا از تفسیرهای وجود نوترینو سترون‌ حمایت نمی‌کند.»

این نتایج، فیزیکدانان را از داشتن یک چیز عجیب و غریب باز می‌دارد، با این‌ حال: چرا تخمین‌های آنها برای پادنوترینوهای حاصل از اورانیوم-۲۳۵ بد بوده است؟ «این مطمئنا سوال میلیون دلاری است،» این را کام بیو لوک، فیزکدان دانشگاه کلیفرنیا و عضو تیم خلیج دابا گفت.

هابر می‌گوید او کاملا آماده برای راها کردن ایده نوترینو سترون نیست. او گفت ، در واقع بیشتر ایده‌های نظری در مورد اینکه چگونه نوترینوها کوچک شدند است، اما توده‌های کاملا صفر نشده فرض می‌کند که نوترینو سترون‌ها وجود دارند. با این حال آنها می‌توانند توده‌های بزرگ باشند. تا به حال هیچ چیزی مانند نوترینو سترون اینقدر مرموز نبوده است. «من هنوز دارم باهاش سر و کله می‌زنم»، هابر گفت. «هر دوسال یک بار تکه مدرکی می‌آید که اشاره به وجود آنها به شکل دیگری می‌کند، اما هرگز کاملا تعیین نشده‌اند.»

دیدگاه‌تان را بنویسید: