دستاورد بزرگ دانشمندان: شناسایی پرانرژی‌ترین نوترینو در عالم توسط تلسکوپی زیر دریا!

دانشمندان موفق شده‌اند با استفاده از تلسکوپ زیردریایی KM3NeT نوترینو با انرژی فوق‌العاده زیاد ۲۲۰ پتاالکترون‌ولت (۲۲۰ هزار تریلیون الکترون‌ولت) را شناسایی کنند. این کشف نقطه عطفی در اخترفیزیک محسوب می‌شود. این ذره کوچک اما قدرتمند که از شدیدترین رویدادهای کیهان به وجود آمده، سرنخ‌های جدیدی از شتاب‌دهنده‌های کیهانی در اختیار انسان می‌گذارد.

ماه گذشته در مطلبی از دیجیاتو گفتیم دانشمندان در پروژه‌ای جاه‌طلبانه‌ که با نام «KM3NeT» شناخته می‌شود، قصد دارند منشأ نوترینوهای کیهانی را کشف کنند. به گزارش Scitechdaily، دانشمندان این پروژه از کشف نوترینویی با بالاترین انرژی که تاکنون شناسایی شده، خبر داده‌اند!

نتایج این کشف که در مجله Nature منتشر شده، اولین شواهد از وجود نوترینوهای فوق پرانرژی در کیهان ارائه می‌دهد اما به گفته محققان، منشأ دقیق این نوترینوهای پرانرژی هنوز مشخص نیست.

دانشمندان معتقدند این ذره ممکن است نخستین «نوترینوی کیهان‌زایی» (Cosmogenic Neutrino) شناسایی‌شده باشد. این کشف شتاب جدیدی به علم اخترفیزیک می‌دهد و انتظار می‌رود مشاهدات آینده اسرار عمیق‌ترین پدیده‌های کیهانی را روشن کنند.

کشف نوترینویی با انرژی فوق‌العاده زیاد

۱۳ فوریه ۲۰۲۳ (۲۴ بهمن ۱۴۰۱)، آشکارساز ARCA در تلسکوپ KM3NeT پدیده‌ای استثنایی ثبت کرد که به نوترینویی با انرژی تقریبی ۲۲۰ پتاالکترون‌ولت مرتبط بود. این انرژی به‌طور قابل‌توجهی بیشتر از انرژی ذرات تولیدشده در برخورددهنده بزرگ هادرونی سرن (LHC) است. پس از تجزیه‌وتحلیل گسترده داده‌ها و تأیید صحت آنها، تیم KM3NeT اکنون جزئیات کشف خود را فاش کرده است.

این نوترینو که به نام KM3-230213A شناخته می‌شود، پرانرژی‌ترین نوترینویی است که تاکنون مشاهده شده و تأیید می‌کند که نوترینوهایی با این انرژی بالا جایی از کیهان تولید می‌شوند (که هنوز کشف نشده است). در مقام مقایسه، نوترینوهای معمولی که از منابعی مانند خورشید تولید می‌شوند، انرژی بسیار کمتری دارند و معمولاً در محدوده چند هزار تا چند میلیون الکترون‌ولت قرار می‌گیرند.

نوترینو چیست؟

نوترینوها ذرات زیراتمی تقریباً نامرئی هستند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور از فضا عبور می‌کنند. این ذرات که «ذرات شبح» نیز نامیده می‌شوند، به‌راحتی از ستارگان، سیارات و حتی بدن خود ما عبور می‌کنند، بدون آنکه ردپایی به جا بگذارند.

نوترینوها به‌ندرت با ماده برهم‌کنش می‌کنند و این موضوع شناسایی آنها را بسیار دشوار کرده است. باوجوداین، نوترینوها کلید فهم بسیاری از شدیدترین رویدادهای کیهانی، ازجمله انفجار ابرنواخترها و فرایندهای اسرارآمیز درون سیاه‌چاله‌ها هستند؛ به‌همین‌دلیل، دانشمندان از آشکارسازهای زیرزمینی یا زیردریایی عظیم برای رصد این ذرات گذرا استفاده می‌کنند تا اسرار کیهان را کشف کنند.

پرانرژی‌ترین نوترینو تاریخ چگونه شناسایی شد؟

دانشمندان این نوترینو را با کمک ذره میون شناسایی کردند (ذره‌ای بنیادی که شباهت‌هایی با الکترون دارد) که از آشکارساز عبور کرده بود. مسیر تند و انرژی زیاد میون نشان داد که این ذره از نوترینوی کیهانی پرانرژی ناشی شده که نزدیک آشکارساز با ماده (آب) برهم‌کنش کرده است.

تیم KM3NeT محدوده‌ای از انرژی را بررسی کرد که در آن، نوترینوها می‌توانند در پدیده‌های اخترفیزیکی شدید تولید شوند. «پاسکال کویل»، سخنگوی KM3NeT و پژوهشگر فیزیک ذرات، توضیح داد: «این اولین شناسایی نوترینویی با انرژی‌های صدها پتاالکترون‌ولت است و فصل جدیدی در اخترشناسی نوترینو و پنجره‌ای جدید برای مشاهده کیهان باز می‌کند.»

نوترینوها: ذرات اسرارآمیز کیهان

کیهان مملو از سیاه‌چاله‌های عظیم، انفجارهای ابرنواختری و فوران‌های پرتو گاماست؛ پدیده‌هایی که هنوز کامل درک نشده‌اند. این شتاب‌دهنده‌های کیهانی قدرتمند جریاناتی از ذرات به نام «پرتوهای کیهانی» تولید می‌کنند که می‌توانند با ماده اطراف خود برهم‌کنش کرده و نوترینوها و فوتون‌ها را تولید کنند.

پرتوهای کیهانی پرانرژی می‌توانند با فوتون‌های تابش زمینه ریزموج کیهانی که اولین نور پس از پیدایش کیهان است، برهم‌کنش کرده و نوترینوهای با انرژی بسیار بالا به نام «نوترینوهای کیهان‌زا» (Cosmogenic Neutrino) تولید کنند.

«روزا کونیلیون»، سخنگوی معاون KM3NeT و پژوهشگر مؤسسه ملی فیزیک هسته‌ای INFN در ایتالیا، توضیح می‌دهد:

«نوترینوها یکی از مرموزترین ذرات بنیادی هستند. این ذرات بار الکتریکی ندارند، تقریباً بدون جرم هستند و برهم‌کنش ضعیفی با ماده دارند. نوترینوها پیام‌آوران خاص کیهانی هستند که اطلاعات منحصربه‌فردی درباره مکانیسم‌های درگیر در پرانرژی‌ترین پدیده‌ها به ما می‌دهند و اجازه می‌دهند دورترین نقاط کیهان را بررسی کنیم.»

منشأ نوترینو فوق پرانرژی

این نوترینوی فوق پرانرژی ممکن است مستقیم از شتاب‌دهنده کیهانی قدرتمند منشأ گرفته باشد. همچنین، این کشف احتمالاً اولین مورد از شناسایی نوترینوهای کیهان‌زا است و نوترینوهای دیگری نیز وجود دارند. به گفته دانشمندان، با کشف فقط یک نوترینو، نتیجه‌گیری درباره منشأ آن دشوار است. مشاهدات آینده بر شناسایی رویدادهای بیشتر از این نوع تمرکز خواهند کرد تا تصویری روشن‌تر ساخته شود.

توسعه هرچه بیشتر تلسکوپ KM3NeT با تجهیزات شناسایی و آشکارسازهای بیشتر و نیز جمع‌آوری داده‌های جدید دقت این تلسکوپ را بهبود می‌بخشد و توانایی آن را در شناسایی منابع نوترینوهای کیهانی افزایش می‌دهد. احتمالاً در آینده‌ای نزدیک KM3NeT به یکی از بازیگران اصلی اخترفیزیک تبدیل خواهد شد.

پروژه بین‌المللی KM3NeT در اعماق دریای مدیترانه

اگرچه نوترینوها پس از فوتون‌ها (ذرات نور)، دومین ذرات فراوان در کیهان هستند، برهم‌کنش فوق‌العاده ضعیف آنها با ماده باعث می‌شود شناسایی آنها بسیار دشوار باشد و نیازمند تجهیزات دقیق و آشکارسازهای بزرگ.

تلسکوپ KM3NeT که درحال ساخت و توسعه است، زیرساختی غول‌پیکر در بستر دریاست که از 2 آشکارساز ARCA و ORCA تشکیل شده است. KM3NeT از آب دریا به‌جای محیط تعاملی برای شناسایی نوترینوها، استفاده کرده و ماژول‌های نوری پیشرفته آن تابش «چرنکوف» را در آب شناسایی می‌کنند.

وقتی ذره بارداری در محیط ماده با سرعت فوق‌نسبیتی (بیش از سرعت نور) حرکت کند، درخششی مایل به آبی از آن ساطع می‌شود که به تابش چرنکوف معروف است.

پروژه KM3NeT بیش از ۳۶۰ دانشمند، مهندس، تکنسین و دانشجو را از ۶۸ مؤسسه در ۲۲ کشور مختلف جهان گرد هم آورده است. گروهی از محققان دانشگاه گرانادا که بخشی از تیم KM3NeT هستند، در 2 جنبه اصلی به این پژوهش کمک می‌کنند. «سرجیو ناواس»، یکی از پژوهشگران اصلی KM3NeT دانشگاه گرانادا، می‌گوید:

«ما براساس تحلیل داده‌هایی که آشکارساز جمع‌آوری‌ کرده، روی تحلیل‌های مختلف فیزیکی کار می‌کنیم که بر جستجوی منابع نوترینو در کیهان، شناسایی ماده تاریک یا مطالعه اثرات فیزیک جدید از طریق اندازه‌گیری ویژگی‌های نوترینو تمرکز دارند.»

«آنتونیو دیاز گارسیا»، از رهبران اصلی پروژه در دانشگاه گرانادا، نیز اضافه می‌کند:

«از سوی دیگر، ما در ساخت عناصر تلسکوپ نیز مشارکت داریم و بر اندازه‌گیری بهینه زمان رسیدن سیگنال‌ها به حسگرهای نوری تمرکز کرده‌ایم. زیرساختی در آزمایشگاه داریم که به ما این امکان را می‌دهد که پروتکل‌هایی را طراحی و اعمال کنیم که اطمینان می‌دهد اجزای ساخته‌شده و نصب‌شده در آزمایش دقت موردنیاز (دقت‌های زمانی کمتر از یک‌میلیاردم ثانیه) را برآورده می‌کنند.»

اکتشافات انقلابی آینده

به گفته سرجیو ناواس: «شناسایی KM3-230213A انگیزه بزرگی برای پژوهشگران این آزمایش ایجاد کرده است. این پدیده مانند آهنربایی برای جذب مراکز تحقیقاتی جدید به پروژه عمل می‌کند. در دانشگاه گرانادا، همچنان ماهیت این پدیده منحصربه‌فرد را بررسی می‌کنیم. هنوز ناشناخته‌های بسیاری وجود دارند که باید رمزگشایی شوند.»

تیم تحقیقاتی KM3NeT اطمینان دارد با نصب کامل 2 آشکارساز ARCA و ORCA سرنخ‌های جدیدی از راز منشأ نوترینوهای کیهانی کشف خواهد شد.