جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۶ به کاشف نوترینوهای پرانرژی کیهانی اعطا شد

نوبل فیزیک امسال به «فرانسیس هالزن» رسید، فیزیکدانی که نقش اصلی را در شکل‌گیری رصدخانه IceCube و کشف نوترینوهای پرانرژی با منشأ کیهانی داشت. این دستاورد عملاً یک راه تازه برای مطالعه خشن‌ترین و پرانرژی‌ترین بخش‌های جهان باز کرده است.

چرا نوترینوها برای شناخت کیهان مهم‌ هستند؟

نوترینو ذره‌ای بسیار سبک و بدون بار الکتریکی است که به‌سختی با ماده واکنش می‌دهد. تعداد بسیار زیادی از نوترینوها هر لحظه از بدن ما و حتی از کل زمین عبور می‌کنند، بدون اینکه اثری قابل مشاهده بر جا بگذارند. همین ویژگی باعث شده است آشکارسازی آن‌ها دشوار باشد، اما از طرف دیگر، آن‌ها پیام‌رسان‌های بسیار خوبی برای اعماق فضا هستند.

ذرات بارداری مثل پروتون‌ها هنگام عبور از میدان‌های مغناطیسی در فضا منحرف می‌شوند، بنابراین معمولاً نمی‌توان از جهت حرکتشان فهمید دقیقاً از کجا آمده‌اند. پرتوهای گاما هم ممکن است در مسیر خود با ماده و تابش برهم‌کنش داشته باشند و بخشی از اطلاعاتشان را از دست بدهند. نوترینوها اما تقریباً بدون انحراف و جذب از فضا عبور می‌کنند. بنابراین، اگر یک نوترینوی بسیار پرانرژی شناسایی شود، مسیر آن می‌تواند سرنخی از محل تولیدش در کیهان بدهد. فرانسیس هالزن متولد سال ۱۹۴۴ در بلژیک است و به‌عنوان استاد دانشگاه ویسکانسن، مدیسن در آمریکا فعالیت دارد.

ایده اصلی هالزن این بود که از یخ عمیق و شفاف قطب جنوب به‌عنوان محیط آشکارسازی استفاده شود. نتیجه این ایده، رصدخانه IceCube بود؛ آشکارسازی که حدود یک کیلومتر مکعب از یخ قطب جنوب را در برمی‌گیرد. بیش از پنج هزار حسگر نوری روی ۸۶ رشته در عمق حدود ۱۴۵۰ تا ۲۴۵۰ متری یخ قرار گرفته‌اند. این مجموعه از سال ۲۰۱۱ به‌طور کامل وارد مرحله رصد شده و بیش از ۹۹ درصد زمان فعال بوده است.

IceCube نوترینو را مستقیماً آشکار نمی‌کند، بلکه اثر برخورد آن با ماده را می‌بیند. گاهی یک نوترینو با هسته اتمی در یخ برخورد می‌کند و ذرات بارداری به‌وجود می‌آورد که با سرعت بسیار بالا در یخ حرکت می‌کنند. این حرکت، تابش آبی‌رنگی به‌نام نور چرنکوف تولید می‌کند. هزاران حسگر نوری IceCube این نور را ثبت می‌کنند و دانشمندان با بررسی زمان رسیدن و شدت آن در حسگرهای مختلف، می‌توانند مسیر حرکت و انرژی نوترینوی اولیه را بازسازی کنند..

کشفی که دلیل نوبل فیزیک امسال شد

اتفاق مهم در سال ۲۰۱۳ رخ داد. در داده‌های IceCube دو رویداد با انرژی حدود یک پتاالکترون‌ولت شناسایی شدند که نخستین شواهد جدی از وجود نوترینوهای بسیار پرانرژی با منشأ اخترفیزیکی بودند. بررسی‌های بعدی تعداد بیشتری از این رویدادها را آشکار کردند و نشان دادند که نمی‌توان همه آن‌ها را با نوترینوهای تولیدشده در جو زمین توضیح داد.

داده‌های جدیدتر تصویر دقیق‌تری ساخته‌اند. در نتایج منتشرشده در سال ۲۰۲۶، یک نوترینوی میونی با انرژی بازسازی‌شده حدود ۱۱.۴ پتاالکترون‌ولت گزارش شد؛ پرانرژی‌ترین نوترینویی که تاکنون از سوی IceCube منتشر شده است. همچنین، داده‌ها نشان می‌دهند بخشی از نوترینوهای پرانرژی از خارج کهکشان ما می‌آیند و بخشی نیز در راه شیری تولید می‌شوند.

اهمیت این کشف در این است که نوترینوها می‌توانند به مسئله‌ای قدیمی پاسخ دهند: ذرات کیهانی فوق‌پرانرژی دقیقاً کجا و چگونه شتاب می‌گیرند؟ تصور فعلی این است که در محیط‌هایی بسیار پرانرژی، پروتون‌ها و هسته‌های اتمی شتاب می‌گیرند و با ماده یا تابش برخورد می‌کنند. در این برخوردها هم پرتو گاما و هم نوترینو تولید می‌شود. بنابراین، کنار هم گذاشتن اطلاعات نوترینوها، پرتوهای گاما و پرتوهای کیهانی می‌تواند تصویر کامل‌تری از این شتاب‌دهنده‌های طبیعی بدهد.

نوبل فیزیک ۲۰۲۶ در واقع فقط جایزه یک آشکارساز بزرگ نیست؛ تأیید شکل‌گیری شاخه‌ای تازه از نجوم است که به‌جای تکیه صرف بر نور، از نوترینوها برای بررسی جهان استفاده می‌کند. نسل بعدی IceCube نیز قرار است بسیار بزرگ‌تر باشد و حجم آشکارسازی آن به حدود هشت کیلومتر مکعب برسد؛ اقدامی که می‌تواند شناسایی منبع این ذرات را در سال‌های آینده دقیق‌تر کند.