آیا ذرات بنیادی نوترینو ها جرم دارند؟ با توجه به آزمایشات قبلی ما، بله. ولی چقدر؟

یک نتیجه ی تعجب برانگیز پیشنهاد شده است که مطابق آن چه ما فکر می کردیم نیست.
نوترینو ها مانند فوتون ها، بدون جرم تصور می شدند که با سرعت نور در حال حرکت اند.

در چند سال گذشته با مطالعه بر روی نوترینوهای منتشر شده توسط خورشید یا ایجاد شده توسط اشعه های کیهانی در اتمسفر زمین، فیزیکدانان متوجه شدند که نوترینوها دارای جرمی بسیار کم ولی غیر صفر هستند که تقریبا 1میلیون بار از یک الکترون کوچک ترند. این مقدارها با بررسی انرژی های جابه جا شده در واکنش های بین ذرات شناخته شده به دست می آیند. در مقالات فیزیک مدرن کلپدر-کلینگروتائوسKlapdor-Kleingrothaus و همکارانش ادعا می کنند که موفق به دیدن یک نوع جدید از تضیف هسته ای شده اند.

اگر این ادعا درست باشد، می توان این نتیجه را دریافت که هر سه نوع نوترینوها دارای جرمی یکسان هستند و پنجره ای در فیزیک به رویمان باز خواهد شد که به ما اجازه می دهد تا اطلاعات خود را بالاتر ببریم.

شکل2

برای آن که جرم یک نوترینو رو را تصور کنیم، یک ذره ی بنیادی مانند الکترون را در نظر بگیرید که حدود 1800 برابر از پروتون سبک تر است و نسبت به سنگین ترین ذره ی بنیادی شناخته شده یعنی بوزون های WوZو کوارک های بالا 200000 برابر سبک تر است. علت این همه اختلاف جرم حتی در مدل استاندارد ذرات بنیادی خود در هاله ای از ابهام است. در مقابل، پیش تر نوترینوها بدون جرم تصور می شدند.
کلید ما "دستوارگی" است. در بیوشیمی دستوارگی ،handedness یک ملکول را توصیف می کند که ممکن است از شکل آینه ی خود متفاوت باشد. یک ملکول ساده مانند H2O مانند شکل آینه ای آن به نظر می رسید ولی یک ملکول پیچیده تر مانند دگستروز(شکلی از گلوکز) این طور نیست. ملکول های دستواره در زیست شناسی بسیار با اهمیت هستند ولی شکل آینه ای آن ها نه، چون معتقدند که در تکامل زندگی به طور اتفاقی شکل یافته اند تا این که دارای تفاوت هایی ذاتی با شکل اصلی خود داشته باشد.
نوترینو ها یک شکلی شبیه به دستوارگی دارند. ذرات بنیادی یک حرکت چرخشی(اسپین) ذاتی دارند. بیش تر ذرات می توانند هم به صورت چپ گرد و هم به صورت راست گرد حول محور جهت حرکتشان بچرخند ولی نوترینوها فقط به صورت چپ گرد می چرخند.شکل2. مانند دستوارگی در زیست شناسی می توانیم این را به یک حادثه نسبت دهیم که در این جا آن حادثه بیگ بنگ است. داشتن خاصیت دستوارگی همیشگی برای ذرات دارای جرم غیر ممکن است (چون جهت حرکت اسپینی یک ذره ی دارای جرم می تواند به حالت پایدار خود تغییر پیدا کند) بنابراین فیزیکدانان نتیجه گرفتند که نوترینو ها دارای جرمی معادل صفر اند.

ولی در این جا یک مشکل در این بحث داریم که به پادماده مربوط می شود. هر ذره ی بنیادی پاد ذره ی مربوط به خود را دارد با جرمی برابر ولی بار الکتریکی مخالف. به عنوان مثال پادذره ی الکترون پوزیترون است. نوترینو هم یک پادذره ی خودش را دارد:پادنوترینو. پادنوترینو حالت دستوارگی مخالف نوترینو را داراست-همیشه در جهت راست گرد حول محور جهت حرکتش می چرخد. شکل2

جدا از شکل دستوارگی آن ها چه طور نوترینو را از پادنوترینو تشخیص می دهید؟ هردوی آن ها دارای بار الکتریکی خنثی و جرمی برابر هستند. ولی یک مقدار بارپایسته دیگری در انجام واکنش های بین ذرات وجود دارد: عدد لپتون . الکترون و نوترینو لپتون هستند و پوزیترون و پادنوترینو، پادلپتون هستند.تعداد لپتون منهای تعداد پادلپتون در یک واکنش عدد لپتون نامیده می شود. لپتون ها و پادلپتون ها می توانند با روش های مختلفی ایجاد شوند مانند تبدیل شدن یک نوترون به یک پروتون، یک الکترون و یک پادنوترینو. در این مثال هیچ لپتونی در ابتدا وجود ندارد(نوترون باریون است) بعد یک لپتون(الکترون) و یک پادلپتون(پادنوترینو) ایجاد شده اند بنابراین عدد لپتون ثابت مانده است. در حقیقت این در تمام تبدیلات ذرات بنیادی پایسته است.

پایستگی عدد لپتون از آزمایشات برگرفته شد و هیچگونه توضیح تئوری در مورد آن وجود نداشت. در دهه ی هفتاد تحقیقات جدید در مورد مدل استاندارد فیزیک انرژی بالا چند بینش را پیشنهاد کرد: ذرات را در مدلی فرض کنیم که در آن به وجود آمده اند که در این جا هم غیر ممکن است که پایستگی عدد لپتون را بشکند.مدل استاندارد قبلا از این که فیزیکدان از آن فراتر بروند هم بوده است. آن ها می خواهند یک نظریه متحدی را به وجود بیاورند تا وجود ذرات و نیروهای بنیادی را سبب شود نه این که آن ها را توصیف کند به عنوان یک مدل استاندارد. در این قالب بیش تر آرزومندانه-که به آن "اتحاد بزرگ" می گویند- پایستگی عدد لپتون به صورت خودکار نیست. بنابراین یک دیدگاه جدید ایجاد شد: عدد لپتون باید تقریبا در طبیعت ثابت باشد چون در مدل های استاندارد خوبی امتحان شده است ولی باید کمی توسط اثر اتحاد بزرگ از آن تجاوز کند.

اگر عدد لپتون ثابت نباشد طولی نخواهد کشید که یک راهی برای تشخیص یک نوترینو از یک پادنوترینو ساخته خواهد شد. آن ها می توانستند در واقع دو نوع از یک ذره باشند. ذره که به صورت راست گرد و یا چپ گرد باشد.شکل2. مانند یک ذره مانند الکترون. بنابراین اگر عدد لپتون ثابت نباشد، نوترینو می توانست جرم داشته باشد. ولی جرم می تواند خیلی کوچک باشد که این از اثری ناشی می شود که در مدل استاندارد غائب است. اندازه گیری جرم های بسیار کوچک بسیار سخت است ولی مطالعات انجام شده بر روی تضعیف هسته ای تریتیوم نشان داده است که یک نوع از نوترینو حدودا کم تر از 2الکترون ولت است.
مطالعه و جست و جو بر روی جرم نوترینو به این عامل هم بستگی دارد که سه نوع نوترینو وجود دارد: الکترون نوترینو، مئون نوترینو و تائو نوترینو(که هر کدام از آن ها به ترتیب با الکترون،مئون و تائو لپتون ها به وجود می آیند). این ما را به احتمال یک اثر مکانیک کوانتومی هدایت می کند: در هنگام عبور از یک خلا، یک نوترینو می تواند بدون اختیار از یک نوع به یک نوع دیگر تبدیل شود. این با "نوسان نوترینو" شناخته می شود و تنها زمانی می تواند رخ دهد که نوترینو دارای جرم باشد.

در حال حاضر شواهد بسیاری برای نوسان نوترینو وجود دارد هم برای نوترینو هایی که توسط خورشید تولید می شوند و هم برای نوترینوهایی که از پرتوهای کیهانی، در اتمسفر زمین ایجاد می شود.(تبدیل نوترینوها در "نوسان نوترینو" تناقض میان تعداد نوترینوهایی که ما انتظار داریم خورشید تولید کرده باشد و تعداد نوترینوهایی که ما آشکار می کنیم را حل کرده است.) نتایج آزمایشات فقط از یک دسته ی ناقص از جرم های نوترینو هاحمایت می کند که از نظریه ی اتحاد بزرگ ناشی می شود. این آزمایش همچنین یک نتیجه تعجب برانگیز را داشته است که زوایای ترکیبی (mixing angles)(که احتمال این که یک نوترینو از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شود را معین کند) خیلی بزرگ تر از آن هستند که نظریه پردازان انتظار داشتند.

به نظر می رسد که منطقی باشد که از طریق نتایج حاصل از ناپایستگی عدد لپتون نسبت به جرم نوترینو تردید داشته باشیم. ولی نوسان نوترینو خود به تنهایی نمی تواند نشان دهد که عدد لپتون ثابت است. خب آیا ما می توانیم این را از راهی دیگر انجام دهیم؟ این چیزی است کهKlapdor-Kleingrothaus ادعا می کنند با مشاهده ی تضیف Ge76 -هفتاد و شش عدد جرمی است- به Se76و2e -هفتاد و شش عدد جرمی است-توانسته اند انجام بدهند. این واکنش "تضعیف دوتایی بدون نوترینو" نامیده می شود و حالت پایانی دارای دو الکترون است(که به عنوان ذراتb شناخته می شوند) و پادنوترینویی مشاهده نمی شود-بنابراین واکنش با دو واحد از پایستگی عدد لپتون تجاوز می کند. اگر اندازه گیری های نوسان نوترینو را با این فرض که ذرات مربوط همان سه ذره ی شناخته شده باشند را در کنار هم قرار دهیم آن گاه می توانیم این را دریابیم که هر سه نوع نوترینو دارای جرمی یکسان هستند، حدودا چند ده الکترون ولت. این یک نتیجه ای کاملا تعجب برانگیز است چون دیگر ذرات خانوادگی مانند کوارک ها و لپتون های باردار شده دارای جرمی یکسان نیستند. و این فشار زیادی را روی تئوری جرم نوترینو خواهد گذاشت.

البته باید به طبیعت سخت و استثنایی این آزمایش هم توجه کرد.البته نسبت به تحلیل های نویسنده در مورد پس زمینه و استخراج یک سیگنال بسیار کوچک هم انتقاد هایی شده است12و13 در هر صورت در آزمایش های طراحی شده در آینده استفاده از قسمت هایی بزرگ تر از Ge76(یا هسته هایی شبیه) می تواند حساسیت و دقتی بالاتر را به ارمغان بیاورد. با تخمین زدن اندازه گیری های "نوسان" قبل از این ادعا فیزیکدانان حدس زده بودند که برای نقض پایستگی عدد لپتون به دقتی معادل 1000 یا 10000برابر این آزمایش نیاز است.

درمورد نویسنده ی مقاله:
Edward Witten is at School of Natural Sciences,
Institute for Advanced Study, Olden Lane,
Princeton, New Jersey 08540, USA
e-mail:witten@ias.edu

منابع:
1.Klapdor-Kleingrothaus, H. V., Dietz, A., Harney, H. L. &
Krivosheina, I. V. Mod. Phys. Lett. A 16, 2409–2420 (2001).
2. Pati, J. & Salam, A. Phys. Rev. D 10, 275–289 (1974).
3. Georgi, H. & Glashow, S. Phys. Rev. Lett. 32, 438–441 (1974).
4. Yanagida, T. in Proc. Workshop on Unified Theory and Baryon
Number in the Universe (eds Sawada, O. & Sugamoto, A.) 95–98
(KEK, Tsukuba, 1979).
5. Gell-Mann, M. et al. in Supergravity (eds van Nieuwenhuysen, P.
& Freedman, D. Z.) 315–321 (North-Holland, Amsterdam, 1979).
6. Weinberg, S. in First Workshop on Grand Unification (eds
Frampton, P., Glashow, S. L. & Yildiz, A.) 347–362 (Math. Sci.
Press, Brookline, MA, 1980).
7. Bonn, J. et al. (MAINZ collaboration) Nucl. Phys. Proc. Suppl.
91, 273–279 (2001).
8. Fukuda, S. et al. (SuperKamiokande collaboration) Phys. Rev.
Lett. 85, 3999–4003 (2000).
9. Giacomelli, G. & Giorgini, M. (MACRO collaboration)
Preprint hep-ex/0110021 (2001); http://-.lanl.gov
10.http://www.sns.ias.edu/~jnb/SNexperimen ... ments.html
11. Bahcall, J. N. & Davis, R. Jr in Essays in Nuclear Astrophysics
(eds Barnes, C. A., Clayton, D. D. & Schramm, D. N.) 243–285
(Cambridge Univ. Press, 1982).
12.Ferruglio, F., Strumia, A. & Vissani, F. Preprint hep-ph/0201291
(2002); http://-.lanl.gov
13.Aalseth, C. E. et al. Preprint hep-ex/0202018 (2002);
http://-.lanl.gov