علمی، پژوهشی و فناوری

چین به دنبال راز شکل‌گیری جهان هستی از روی ذرات شبح

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : پروژه ساخت یک آشکارساز عظیم در اعماق تپه‌ای گرانیتی در جنوب چین به مراحل پایانی نزدیک می‌شود. این آشکارساز پیشرفته، که یکی از مهم‌ترین پروژه‌های علمی جهان به شمار می‌رود، طراحی شده است تا ذرات مرموز نوترینو را که در اطراف ما پنهان هستند، شناسایی کند.

رصدخانه زیرزمینی نوترینوی جیانگ‌من (JUNO) در چین به‌زودی کار خود را برای شناسایی و مطالعه نوترینوها، ذرات شبح‌مانندی که به‌سختی قابل شناسایی هستند، آغاز خواهد کرد. این ذرات، که جرم بسیار ناچیزی دارند، می‌توانند کلیدی برای فهم چگونگی پیدایش جهان باشند.

این آشکارساز یکی از سه پروژه بزرگ جهانی برای مطالعه دقیق‌تر نوترینوها است. دو پروژه مشابه دیگر در ایالات متحده و ژاپن در حال ساخت هستند، اما هنوز به مرحله بهره‌برداری نرسیده‌اند.

رصد نوترینوها یکی از پیچیده‌ترین و مهم‌ترین چالش‌های علمی است که می‌تواند ابعاد جدیدی از چگونگی شکل‌گیری جهان هستی را روشن کند.

پروژه عظیم چین برای شناسایی نوترینوها، که قرار است سال آینده به بهره‌برداری برسد، مرزهای فناوری در این حوزه را به سطح جدیدی خواهد رساند. آندره دو گووآ، فیزیکدان نظری از دانشگاه نورث‌وسترن آمریکا می‌گوید: «اگر چین بتواند این هدف را محقق کند، دستاوردی شگفت‌انگیز خواهد بود.»
 
نوترینوها چیستند؟

نوترینوها از جمله ذرات بنیادی هستند که قدمت آن‌ها به ابتدای پیدایش جهان، یعنی زمان بیگ‌بنگ، بازمی‌گردد. تریلیون‌ها عدد از این ذرات شگفت‌انگیز در هر ثانیه از میان بدن ما عبور می‌کنند، بی‌آنکه کوچک‌ترین اثری از خود باقی بگذارند.

منشا نوترینوها اغلب از فرایندهای هسته‌ای در ستارگانی مانند خورشید است. همچنین، این ذرات در هنگام برخورد ذرات بنیادی در شتاب‌دهنده‌های ذرات نیز تولید می‌شوند و یکی از کلیدهای درک ساختار جهان به شمار می‌روند.

اگرچه دانشمندان نزدیک به یک قرن است از وجود نوترینوها اطلاع دارند، اما همچنان در مراحل اولیه درک ماهیت واقعی این ذرات بنیادی قرار دارند.

کائو جون، یکی از مدیران پروژه آشکارساز چین، درباره این ذرات می‌گوید: «نوترینوها ناشناخته‌ترین ذرات در جهان ما هستند. به همین دلیل است که تحقیقات گسترده‌ای برای مطالعه آن‌ها ضروری است.»

کارگران در حال فعالیت در بخش زیرین آشکارساز در عمق ۷۰۰ متری رصدخانه زیرزمینی نوترینوی جیانگ‌من در کایپینگ، جنوب چین
 
چگونه نوترینوها شناسایی می‌شوند؟

نوترینوها، این ذرات فوق‌العاده کوچک که به سرعت در حال حرکت هستند، به خودی خود قابل شناسایی نیستند. به همین دلیل، دانشمندان به بررسی واکنش‌هایی می‌پردازند که هنگام برخورد آن‌ها با سایر ذرات ماده رخ می‌دهد. این برخوردها می‌توانند باعث ایجاد نورهای درخشان یا تولید ذرات باردار شوند که قابل اندازه‌گیری هستند.

از آنجا که نوترینوها تنها در موارد بسیار نادر با دیگر ذرات برخورد می‌کنند، فیزیک‌دانان مجبورند پروژه‌های عظیمی را طراحی کنند تا شانس مشاهده این برخوردهای نادر را افزایش دهند.

آندره دو گووآ در این باره می‌گوید: «راه‌حل برای اندازه‌گیری نوترینوها این است که آشکارسازهای بسیار، بسیار بزرگی بسازیم.»
 
آشکارسازی عظیم برای اندازه‌گیری ذرات بسیار ریز

چین پس از ۹ سال تلاش و حدود ۳۰۰ میلیون دلار هزینه، ساخت یکی از بزرگ‌ترین آشکارسازهای جهان را در عمق ۷۰۰ متری زمین در منطقه کایپینگ به مراحل پایانی رسانده است. 

عمق بالای این آشکارساز از آن در برابر پرتوهای کیهانی و تابش‌های مزاحم محافظت می‌کند، عواملی که می‌توانند فرآیند شناسایی این ذرات را مختل کنند. روز چهارشنبه، کارگران مرحله نهایی ساخت این پروژه را آغاز کردند. قرار است آشکارساز کروی شکل با مایعی خاص پر شود که هنگام عبور نوترینوها از خود نور ساطع می‌کند و سپس در آب خالص غوطه‌ور شود.

این آشکارساز برای مطالعه پادنوترینوها طراحی شده است، نسخه معکوس نوترینوها که به دانشمندان کمک می‌کند رفتار این ذرات را بهتر درک کنند. این پادنوترینوها از برخوردهای درون دو نیروگاه هسته‌ای تولید می‌شوند که در فاصله بیش از ۵۰ کیلومتری از آشکارساز قرار دارند.

هنگامی که پادنوترینوها با ذرات موجود در داخل آشکارساز برخورد می‌کنند، یک نور درخشان تولید خواهد شد که امکان شناسایی آن‌ها را فراهم می‌کند.

این آشکارساز با هدف پاسخ به یکی از پرسش‌های کلیدی درباره معمای دیرینه نوترینوها طراحی شده است. نوترینوها هنگام حرکت در فضا به سه نوع مختلف تغییر شکل می‌دهند، و دانشمندان قصد دارند آنها را براساس نوع از سبک‌ترین تا سنگین‌ترین مرتب کنند.

اما شناسایی این تغییرات ظریف در ذراتی که به خودی خود شناسایی‌ناپذیر هستند، چالشی بزرگ است. کیت شولبرگ، فیزیک‌دانی از دانشگاه دوک می‌گوید: «حتی تلاش برای انجام چنین کاری واقعا جسورانه است.»

آشکارساز نوترینوی چین قرار است در نیمه دوم سال آینده شروع به کار کند. اما جمع‌آوری و تحلیل داده‌ها زمان‌بر خواهد بود، به همین دلیل دانشمندان برای کشف کامل اسرار زندگی پنهان نوترینوها باید همچنان صبور باشند.

علاوه بر چین، دو پروژه مشابه دیگر یعنی هایپر-کامیوکانده در ژاپن و آزمایش نوترینوی عمیق زیرزمینی در ایالات متحده در حال ساخت هستند. این دو پروژه نیز در تلاش‌اند تا با مطالعه نوترینوها، درک بهتری از چگونگی شکل‌گیری جهان ارائه دهند.

دو آشکارساز مشابه نوترینوی ژاپن و ایالات متحده قرار است به ترتیب در سال‌های ۲۰۲۷ و ۲۰۳۱ به بهره‌برداری برسند. این پروژه‌ها با استفاده از روش‌های متفاوت، نتایج آشکارساز چین را بررسی و اعتبارسنجی خواهند کرد تا درک بهتری از رفتار این ذرات بنیادی حاصل شود.