بیگ بنگ: دانشمندان از بررسی اسرار پنهان لذت می برند و هر قدر اسرار بزرگتر باشند، شور و اشتیاق آنها دوچندان می شود. پرسش‌های بزرگی در دنیای علم وجود دارد که هنوز بی‌پاسخ مانده‌اند. اما پاسخگویی به این پرسش چندان راحت نیست: «چرا بجای هیچ چیز، چیزی وجود دارد؟»

به گزارش بیگ بنگ، شاید پرسش فوق قدری فلسفی به نظر آید، اما از منظر علمی می تواند مورد بررسی قرار گیرد. بگذارید این پرسش را در قالب بهتری مطرح کنیم: «چرا جهان از نوعی ماده ساخته شده است که بتواند حیات را برای انسان مقدور سازد و ما بتوانیم این پرسش را پیش بکشیم؟» دانشمندان ژاپنی که مشغول تحقیق هستند، اندازه‌گیری‌هایی در ماه گذشته انجام دادند که بطور مستقیم در صدد پاسخگویی به شگفت انگیزترین پرسش‌هاست. به نظر می رسد اندازه‌گیری‌های آنان با ساده‌ترین انتظارات نظریۀ فعلی ناسازگار است و میتواند نقش مهمی در این راستا ایفا کند. بر اساس اندازه‌گیری آنان، در مجموعه معینی از ذرات زیراتمی، ماده و پادماده به شکل متفاوتی عمل می کنند.

ماده و پادماده

دانشمندان با بهره‌گیری از شتاب دهنده «J-PARC» واقع در توکایِ ژاپن، ذرات ریزاتمی شبح‌وار نوترینو و پادنوترینوها را در رصدخانه «سوپر کامیوکانده» واقع در کامویکای ژاپن شلیک کردند. این آزمایش که با عنوان «T2K» یا «از توکای به کامیوکانده» شناخته می شود، برای این طراحی شده که تعیین کند چرا جهان ما از ماده ساخته شده است. رفتار عجیبی که نوترینوها از خود نشان می دهند (نوسان نوترینو)، می تواند بینش تازه‌ای را در خصوص پرسش فوق فراهم آورد.

مطرح کردن این پرسش که چرا جهان از ماده ساخته شده است، شاید قدری عجیب و غریب باشد، اما دانشمندان بنا به دلیل خیلی خوبی از این پرسش استقبال می کنند. زیرا افزون بر پی‌بردن به وجود ماده، دانشمندان اطلاعاتی پیرامون پادماده هم دارند. در سال 1928، فیزیکدان انگلیسی«پل دیراک» از وجود پادماده خبر داد. اگر مقادیر برابر ماده و پادماده را با هم ترکیب کنید، آنها یکدیگر را از بین برده و مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می شود. و چون اصول فیزیک به صورت خوبی در حالت معکوس عمل می کند، اگر مقدار عظیمی انرژی داشته باشید، میتوان انتظار داشت که به مقادیر برابر ماده و پادماده تبدیل شود. «کارل اندرسون» آمریکایی در سال 1932 موفق به کشف پادماده شد و محققان تقریبا یک قرن برای مطالعه ویژگی‌های آن فرصت داشته‌اند.

با این حال، عبارت «دقیقا مقدار برابر» قدری به پیچیدگی ِ مسائل اضافه می کند. لحظات کوتاهی بلافاصله پس از بیگ بنگ، جهان مملو از انرژی بود. همچنانکه دچار انبساط و کاهش دما شد، انرژی می بایست به مقادیر برابری از پاده و پادماده تبدیل می شد و امروز برای ما قابل مشاهده می بود. ولی حالا جهان ضرورتا به طور کامل از ماده تشکیل شده است. چطور چنین چیزی ممکن است؟

دانشمندان با شمارش تعداد اتم‌های موجود در جهان و مقایسه آن با مقدار انرژی‌ای که می بینیم، اعلام کردند که عبارت «دقیقا برابر» چندان درست نیست. وقتی قدمت جهان به یک دهم تریلیونم ثانیه رسیده بود، قوانین طبیعت در جهت ماده گرایش پیدا کرد. به ازای هر 3,000,000,000 ذره پادماده، 3,000,000,001 ذره ماده وجود داشت. سه میلیارد ذره ماده و سه میلیارد ذره پادماده با هم ترکیب شدند و با نابودی یکدیگر باعث تولید مقدار عظیمی انرژی شدند. بدین ترتیب، ماده توانست جهانی را که امروز می بینیم، پدید آورد.

از همان یک قرن پیش که این معما کشف شد، محققان مشغول مطالعۀ ماده و پادماده بودند تا ببینند آیا رفتاری ذرات زیراتمی می تواند فزونیِ ماده را توضیح بدهد یا خیر. محققان با اطمینان بالایی اعلام داشتند که ماده و پادماده به مقدار برابر ساخته شده‌اند، اما آنان مشاهده کردند که دسته‌ای از ذرات ریزاتمی به نام کوارک‌ها رفتارهایی از خود نشان می دهند که تا حدودی ماده را بر پادماده ارجح میداند. اندازه‌گیریِ انجام شده شامل دسته‌ای از ذرات به نام «مزون‌ها» نیز می شد، ذراتی که می توانند از ماده به پادماده و بالعکس تبدیل شوند. اما تفاوت اندکی میان تبدیل ماده به پادماده و بالعکس وجود دارد. این پدیده دور از انتظار بود و کاشف آن توانست جایزه نوبل را در سال 1980 از آنِ خود کند. اما بزرگی تاثیر کافی نبود تا توضیح دهد چرا ماده بر جهان ما تسلط پیدا کرده است.

پرتوهای شبح‌وار

پس دانشمندان توجه خود را معطوف نوترینوها کرده اند تا ببینند آیا رفتار این ذرات می تواند فزونیِ ماده را توضیح بدهد یا خیر. نوترینوها را اشباح دنیای زیراتمی نامگذاری کرده‌اند. در صورت برهمکنش تنها با نیروی هسته‌ای ضعیف، آنها می توانند بدون تقریبا هیچ برهمکنشی از ماده عبور کنند. نوترینوها در متداول‌ترین حالت، طی ِ واکنش‌های هسته‌ای ایجاد می شوند و بزرگترین راکتور هسته‌ای پیرامون ما خورشید نام دارد. نوترینوها، اما، زیاد وارد برهمکنش نمی شوند. بین سال‌های 1998 و 2001 یک سری آزمایش (یکی با استفاده از آشکارساز بزرگ کامیوکانده و دیگری با استفاده از آشکارساز SNO در سادبری اونتاریو) با یقین کامل تایید کرد که نوترینوها رفتار شگفت‌انگیز دیگری هم از خود نشان می دهند. آنها هویت‌شان را تغییر می دهند. فیزیکدانان سه نوع مختلف نوترینو را می شناسند که هر کدام با الکترون‌ها، موان‌ها و تائوها ارتباط دارند. الکترون‌ها در الکتریسیته ایفای نقش می کنند و موان ها و تائوها شباهت بسیار زیادی به الکترون‌ها دارند، اما سنگین‌تر و ناپایدارترند.

سه نوع نوترینو (نوترینوی الکترون، نوترینوی موآن و نوترینوی تائو) می توانند به انواع دیگری از نوترینوها تغییر شکل دهند. این رفتار را اصطلاحا «نوسان نوترینو» می نامند. نوترینوها ذرات بسیار ویژه‌ای هستند چون تنها تحت تاثیر فعل و انفعالات ضعیف قرار دارند. همانطور که از اسم این فعل و انفعال پیداست، بسیار ضعیف است. به طوری که نوترینوها می توانند از لایه های بزرگی از ماده بدون هیچ نوع فعل و انفعالی عبور کنند. برای مثال می توانند بدون هیچ مشکلی از تمام زمین ما بگذرند. از اینجا می توان فهمید که چرا مطالعه بر روی نوترینوها همیشه دشوار است. چون بسیار کم فعل و انفعال می کنند! اما از طرف دیگر مطالعه آنها همیشه مهمترین نتایج علمی را عرضه می کند. نوترینوها بار الکتریکی ندارند و دارای جرم در حد صفر هستند و بی‌نهایت کوچکند.

برای روشنتر شدن موضوع باید بگویم که نوسانات نوترینوها تنها زمانی می توانند رخ دهند که نوترینو جرم داشته باشد. حتی اگر این جرم بسیار کوچک باشد. با وجود این با آزمایشات نوسان، اثبات اینکه نوترینوها جرم دارند امکانپذیر نیست. به همین منظور ما آزمایشات تخصصی دیگری را انجام دادیم. اما اولین آزمایشات مربوط به نوسانات نوترینوها به نخستین سالهای دهه 60 بازمی گردد. آزمایش «اپرا» یک میراث شایسته از این سنت است. برای دستیابی به نتایجی که در این روزها منتشر شده پروژه اپرا حدود 10 سال کار کرده است. اکنون ما مشاهده کردیم که تعدادی از ذرات دسته نوترینوهایی که از سرن گسیل شدند و از نوع نوترینوی میونی بودند در این طول این سفر به نوترینوهای تاو تبدیل شدند (نوسان کردند). اکنون نتایج این نوسان حاکی از آن است که حداقل یکی از این سه نوع نوترینو می توانند جرم داشته باشند. از دیدگاه اهمیت علمی، این آزمایشات نوسان نوترینوها بر این نکته دلالت می کنند که نوترینوها جرم دارند. نکته قابل توجه این است که نوترینوها هویت خود را عوض می کنند؛ برای مثال، از نوعی به نوع دیگری یا ترکیبی از انواع مختلف تبدیل می شوند. آنها حتی توانایی بازگشت به حالت اصلی را نیز دارند.

نوسان پادنوترینوها

تحقیقات نشان می دهد که پادنوترینوها نیز وجود دارند. این کشف باعث مطرح شدن پرسش خیلی مهمی می شود. نوترینوها نوسان می کنند، اما آیا پادنوترینوها هم نوسان دارند؟ آیا پادنوترینوها دقیقا به شکل نوترینوها دچار نوسان می شوند؟ جواب پرسش اول این است: بله، اما هنوز جوابی برای پرسش دوم وجود ندارد. بگذارید این پرسش را به شکل ساده‌تری مطرح کنیم. فرض کنید فقط دو نوع نوترینو به نام‌های موآن و الکترون وجود داشت. همچنین فرض کنید پرتوی از نوترینوهای نوع موآن دارید. نوترینوها با سرعت مشخصی نوسان می کنند و چون سرعت‌شان به سرعت نور نزدیک است، به عنوان تابعی از فاصله از محل ایجادشان دچار نوسان می شوند. پس پرتوی نوترینوهای موان به ترکیبی از انواع الکترونی و موآنی شباهت خواهد داشت. نوترینوهای پادماده نیز کار یکسانی انجام می دهند.

با این حال، اگر نوترینوهای ماده و پادماده با سرعت نسبتا متفاوتی نوسان کنند، می توانید انتظار داشته باشید که اگر در فاصله‌ای ثابت از محل ایجاد نوترینوهای موآن یا پادنوترینوهای موآن می بودید، در این صورت در مورد نوترینو، ترکیبی از نوترینوهای موآن یا نوترینوهای الکترون را می بینید، اما در مورد نوترینوی پادماده، ترکیب متفاوتی از نوترینوهای الکترون و موآن پادماده می بینید. شرایط وقتی پیچیده‌تر از این می شود که بفهمید سه نوع نوترینو وجود دارد و نوسان به انرژی گسیل بستگی دارد، اما اینها ایده‌های بزرگی هستند. مشاهده فرکانس‌های نوسانی مختلف توسط نوترینوها و پادنوترینوها می تواند گام مهمی در درک این حقیقت باشد که جهان از ماده ساخته شده است. این کل داستان نیست زیرا پدیده‌های تازه دیگری باید صادق باشند، اما تفاوت میان نوترینوهای ماده و پادماده برای توضیح دلیل وجود ماده زیاد در جهان ضروری است.

در نظریۀ فعلی که برهمکنش‌های نوترینوها را توضیح میدهد، متغیری وجود دارد که به این احتمال حساس است: نوترینوها و پادنوترینوها به شکل متفاوتی نوسان می کنند. اگر آن متغیر صفر باشد، دو نوع ذره مذکور با سرعت‌های یکسانی نوسان می کنند؛ اگر آن متغیر با صفر فرق داشته باشد، دو نوع ذره بطور متفاوتی نوسان می یابند. وقتی آزمایش T2K این متغیر را مورد اندازه‌گیری قرار داد، مشخص شد که فرضیه رایج را به چالش میکشد؛ بر اساس این فرضیه، نوترینوها و پادنوترینوها بطور یکسان نوسان می کنند. در این آزمایش، طیفی از مقادیر احتمالی برای این متغیر پیدا شد. 95% احتمال وجود دارد که مقدار واقعی آن متغیر در طیف مذکور باشد و تنها 5% احتمال وجود دارد که متغیر واقعی خارج از آن طیف باشد.

به عبارت ساده، اندازه‌گیری‌های فعلی نشان می دهد که نوترینوها و نوترینوهای پادماده به شکل متفاوتی نوسان می کنند. در واقع، منتقدان اعلام میدارند که اندازه‌گیری‌ها باید از منظر تردید مشاهده شوند. لذا جامعۀ علمی جهان در صدد آن است که تحقیقات گسترده‌ای در این زمینه انجام بدهد. آزمایش T2K به امید رسیدن به اندازه‌گیری قطعی، به ثبت داده‌ها ادامه خواهد داد. باید توجه داشت که همزمان تحقیقات دیگری در مکان‌های دیگر جهان در حال انجام است. از جمله آزمایش‌هایِ در حال انجام میتوان به «NOVA» در آزمایشگاه فرمی شیکاگو و آزمایش «DUNE» اشاره کرد.

ترجمه: منصور نقی لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: livescience.com