"نوترینو"؛ کلید چرایی بیشتر بودن ماده از پاد ماده در جهان

فیزیکدانان کوشش زیادی در درک جهان کرده‌اند و مسیر زیادی را در این راه پیموده‌اند، اما هنوز هم برخی از اسرار وجود دارد که آنها را به خود مشغول کرده است. یکی از این رازها این است که چرا به نظر می‌رسد ماده خیلی بیشتر از پاد ماده وجود دارد.

ماده به‌طور کلی همه چیزهایی است که اشیاء فیزیکی را شامل می‌شوند. معمول‌ترین تعریفی که از ماده وجود دارد این است که ماده هر چیزی است که حجم و جرم داشته باشد. به هر حال هنوز میان دانشمندان درباره تعریف دقیق ماده اتفاق نظر وجود ندارد. تا پیش از سده بیستم میلادی، اصطلاح ماده شامل ماده معمولی تشکیل شده از اتم‌ها بود و دیگر پدیده‌های انرژی مانند نور یا صدا را در بر نمی‌گرفت. این مفهوم از ماده اکنون به هر چیزی که دارای جرم(حتی در حالت سکون) است، گسترش یافته ولی این تعریف‌ها هنوز نارسا است، زیرا جرم یک شیء خود می‌تواند در نتیجه حرکت و تعامل انرژی‌های(احتمالاً بدون جرم) به وجود آید. بنابراین، یک تعریف جهانی و یک مفهوم اساسی و جامع برای آن در فیزیک امروز هنوز در دست نیست. واژه ماده نیز آزادانه به عنوان یک اصطلاح کلی برای هر چیز یا تمام اشیاء فیزیکی قابل مشاهده استفاده می‌شود.

پادماده(Antimatter) نیز مانند ماده از ذراتی به نام ضدذره تشکیل شده‌ است که با ذرات معمولی فرق دارند. در پادماده بار هسته منفی و بار ذرات مداری مثبت است که معکوس ماده ‌است. به عنوان مثال ذره‌ای به نام پوزیترون وجود دارد که تمام ویژگی‌هایش به جز بار الکتریکی مشابه الکترون است. پوزیترون حامل بار مثبت است در حالی که بار الکترون منفی است. البته نباید پوزیترون را با ذره باردار مثبت دیگر، یعنی پروتون، اشتباه گرفت. پروتون تقریباً ۲۰۰۰ بار سنگین‌تر از الکترون است. به علاوه پروتون دارای زیر ساختارهایی به نام کوارک است. از طرف دیگر، پوزیترون هم جرم الکترون است و تا آنجا که می‌دانیم پوزیترون و الکترون هیچ‌کدام دارای زیر ساختار نیستند. فیزیکدانان ذرات، پوزیترون را پادماده الکترون می‌دانند.

تحقیقات جدیدی که در مجله Nature منتشر شده، ممکن است به جواب این سوال رسیده باشد. همه چیز از سال ۱۹۵۶ شروع شد، وقتی فیزیکدانان تسلیحات هسته‌ای به نام "کلاید کوان" و "فردریک راینز" موفق به کشف "نوترینو" شدند و در سال ۱۹۹۵ جایزه نوبل را برای این کشف دریافت کردند.

"نوترینو"(neutrino) یک ذره بنیادی است که از نظر الکتریکی خنثی بوده و به ندرت وارد برهمکنش می‌شود. نوترینو به معنی «کوچک خنثی»، معمولاً با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، از نظر الکتریکی خنثی بوده و قادر است از درون مواد تقریباً بدون هیچ برهمکنشی عبور نماید. نوترینوها دارای جرم بسیار کوچک، اما غیر صفر هستند.

از آنجایی که نوترینوها بار الکتریکی ندارند، تحت تأثیر نیروهای الکترومغناطیس قرار نمی‌گیرند. نوترینوها تنها تحت تأثیر نیروی هسته‌ای ضعیف که در مقایسه دارای بُرد بسیار کوتاه‌تری از نیروی الکترومغناطیس است، قرار می‌گیرند؛ لذا قادر هستند مسافت‌های بسیار طولانی را درون مواد بدون برهمکنش طی نمایند.

نوترینوها در ضمن واپاشی بتا، در واکنش‌های هسته‌ای مانند آنچه در خورشید یا راکتورهای اتمی رخ می‌دهند و همچنین در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با اتم‌ها ایجاد می‌گردند.

سه نوع نوترینو وجود دارد: الکترون نوترینو، میون نوترینو و تاو نوترینو. همچنین هر یک از آنها پادذره مربوط به خود به‌ نام "پادنوترینو" دارند.

بیشتر نوترینوهایی که از زمین عبور می‌کنند، از خورشید صادر می‌شوند. در هر ثانیه از هر سانتی‌متر مربع زمین، در حدود ۶۵ میلیارد نوترینوی خورشیدی عبور می‌کند.

ذرات بنیادی، اصولاً به دو صورت ذره و پادذره در جهان وجود دارند. پادذره‌ها جرم و حتی اسپین برابر با ذره دارند ولی بار الکتریکی آنها متفاوت است. به عنوان مثال پوزیترون پادذره الکترون است که جرمش برابر جرم الکترون ولی بارش مثبت است. پادذره‌ها و پادماده‌ها به ما در فهمیدن اینکه جهان پس از مه بانگ چگونه شکل گرفت کمک می‌کنند.

"کلاید کوان" و "فردریک راینز" در آن زمان، "نوترینو" را کوچکترین واقعیت مادی که تاکنون توسط انسان شناخته شده است، نامیدند. این امر باعث شد که "آندره ساخاروف" فیزیکدان روسی، مکانیسمی را برای چگونگی نقض تعادل بین ماده و پاد ماده در ۱۰ سال بعد ایجاد کند.

"ساخاروف" استدلال می‌کرد که تقارن بین ماده و پادماده تمام عیار نیست و این ممکن است به تولید ماده مازاد که هنگام خنک شدن پس از مه بانگ(بیگ بنگ) رخ داده است، مرتبط باشد.

اکنون یک آزمایش فیزیکی به نام "T۲K)"Tokai to Kamioka) نشان می‌دهد که "ساخاروف" احتمالا درست گفته است. در این آزمایش، نوترینوها در مجتمع تحقیقاتی پروتون شتاب دهنده ژاپن(J-PARC) در زیر زمین تولید و شلیک شدند.

از آنجا، نوترینوهای تولید شده ۲۹۵ کیلومتر به سمت رصدخانه نوترینو موسوم به "Super-Kamiokande" حرکت کردند. در این رصدخانه، یک مخزن آب غول پیکر، نور ساطع شده حاصل از برهمکنش نوترینوها با آب را ضبط کرد.

آزمایش T۲K پس از ۱۰ سال بررسی، تنها ۹۰ نوترینو و ۱۵ پادنوترینو را تشخیص داد. این تعداد بسیار اندک است زیرا نوترینوها احتمال برهمکنش و تعامل بسیار کمی دارند.

مطالعه T۲K سپس هر دو احتمال اینکه نوترینو بین خواص فیزیکی مختلفی در نوسان باشد و یک پادترنینو نیز همین کار را انجام دهد، ارزیابی کرد. محققان گمان می کردند که اگر ماده و پاد ماده متقارن باشند، رفتار آنها یکسان است. محققان در نهایت دریافتند که اینگونه نیست.

اگرچه ممکن است این نتایج هیجان انگیز باشد، اما لازم به ذکر است که راضی کننده نیست. بنابراین فعلاً این یافته‌ها همچنان به عنوان مشاهدات اولیه محسوب می‌شوند.

منبع: ایسنا

24