جستجوی علت وجود بشر به یک واپاشی اتمی ختم شد
تشعشات رادیواکتیویته ناشناخته‌ای می تواند توضیحی بر این سوال باشد که امروزه چرا ماده، از جمله انسان، در دنیا وجود دارد. اکنون گروهی از فیزیکدانان آزمایشی را برای یافتن پدیده “عجیب”(oddball) آغاز کردند.
به گزارش بیگ بنگ، وقتی کیهان در ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش شکل گرفت، نظریه‌های کنونی توضیح می دهند که احتمالا مقادیر مساوی ماده و همتای عجیب او، پادماده در زمان بیگ بنگ تولید شده‌اند. فیزیکدانان بر این امر واقف‌اند که وقتی این دو با یکدیگر برخورد کنند، در یک چشم بهم زدنی یکدیگر را نابود می کنند. اگر این اتفاق می افتاد در حال حاضر نباید چیزی به جز فوتون و نوترون در این جهان وجود میداشت. با این حال ما وجود داریم. محاسبات نشان می دهند که در زمان بیگ بنگ، ماده به اندازه بسیار ناچیزی از پادماده بیشتر بود که باعث شد این جهان به وجود بیاید؛ اما چرا؟
یک راه برای توضیح هم اندازه نبودن میزان ماده و پادماده این است که به دنبال تفاوت‌هایی بین این دو باشیم. البته تفاوتی سوای بار الکتریکی این دو، که خود توضیحی برای ارجحیت ماده بر پادماده می باشد. یافتن این تفاوت، سوالی بزرگ در فیزیک معاصر بوده است؛ زیرا در غیر این صورت و بر اساس نظریه‌های امروزی، ماده و پادماده آنگونه که ذکر شد باید رفتار میک ردند.
نوترینوهای عجیب
در این پژوهش جدید، فیزیکدانان به دنبال واپاشی دو بتایی(بدون نوترینو) هستند. معمولا برخی اتمهای رادیواکتیو که هسته آنها ناپایدار است، در عمل واپاشی بتایی، یک نوترون از دست می دهند. در این واپاشی،نوترون با آزادسازی یک الکترون و ذره‌ای بسیار کوچک به نام پادنوترینو الکترون به پروتون تبدیل می شود. برعکس این فرایند نیز اتفاق می افتد که پروتون با آزادسازی یک پوزیترون و یک الکترون نوترینو، به نوترون تبدیل می شود. واپاشی دو بتایی زمانی اتفاق می افتد که دو الکترون و دو پادنوترینو(پادمادهی نوترینو) آزاد می شود. اساسا واپاشی بتا دوبار اتفاق می افتد. دانشمندان نظریۀ واپاشی مشابهی ولی بدون نوترینو را ارائه دادند.
نظریه‌ای که بیان می کند هر دو نوترینوها قبل از آزادسازی از اتم، یکدیگر را نابود کرده‌اند. در این حالت، نوترینو به عنوان پادماده خودش عمل می کند. (ذراتی که پادذره خود می باشند به احترام دانشمند ایتالیایی به نام Majorana fermions، کاشف این ذرات، به همین نام خوانده می شوند) اگر نوترینوها و پادنوترینوها رفتار متفاوتی داشته باشند،این مسئله میتواند توضیحی بر این معما باشد که چرا در لحظه آغاز کیهان، مادۀ موجود در جهان نابود نشد(۵ ذرهی مرموزی که شاید در جهان وجود داشته باشند).
شناسایی واپاشی
کشف این رویداد عجیب کار مشکلی است زیرا به گفته برنهارد شوینگنهویر سخنگوی پروژه GERDA، مقدار زیادی “نویز” در پس زمینه وجود دارد. منبع این نویز پس زمینه کیهان می باشد. در آزمایش مذکور، فیزیکدانان مجبور بودند که نویز در پس زمینه که اکثرا از کیهان نشات دارد، را نیز در نظر بگیرند. بنابراین آنها دیوارهای داخلی مخزن حاوی آرگون را با فویل‌هایی بازتابنده پوشاندند که دقت شناسایی نور را ارتقا بخشیده و امکان تشخیص میون‌های کیهانی را فراهم می سازد(این میون‌ها در زمان برخورد اشعه‌های کیهانی با جو زمین شکل می گیرند).
بنابراین دانشمندان به پروژه GERDA روی آوردند. پروژه GERDA که محل آن یک آزمایشگاه زیرزمینی در ایتالیا می باشد، متشکل از آشکارسازهای غنی شده با ایزوتوپ ژرمانیم-۷۶ و در حوضی از مایع آرگون(که رادیواکتیو است) می باشد. این ایزوتوپ نیمه عمر ۱۰۲۱×۱٫۷۸ سال دارد. به این معنی که در مدت زمان ذکرشده، نیمی از اتمهای این ایزوتوپ به سلنیوم تبدیل می شوند که زمانی بسیار بیشتر از کل عمر ۱۴ میلیارد سالۀ کیهان می باشد.
معمولا ژرمانیم در خلال فرایند تبدیلشدن به سلنیوم، دو الکترون و دو پادنوترینو الکترون گسیل می کند(همان فرایند واپاشی دو بتایی). فیزیکدانان مایلند که بدانند آیا این فرایند که در آن نوترینویی آزاد نمی شود، اتفاق می افتد یا خیر. با این نیمه عمر بسیار طولانی، ممکن است اینطور تصور شود که دیدن فرایند تبدیل اتمهای این ایزوتوپ بسیار به درازا خواهد انجامید اما نیمه عمر، تنها یک پدیده محتمل می باشد.
به همین دلیل، متخصصان مقدار حدودی ۳۸ کیلوگرم از ژرمانیم را در مایع آرگون قرار دادند که مجموعا تعداد اتم‌هایی در حدود ۴۵ تریلیون تریلیون را در خود جای می دهد. این بدین معنی است که حداقل چند عدد از اتمهای این مقدار از ژرمانیوم، در زمانی که دانشمندان آنها را مشاهده می کنند طبیعتا باید فرایند واپاشی را انجام دهند. تیم اجرایی این پروژه داده‌هایی را در طول ۷ ماه جمع‌آوری کرد. آنها موفق به یافتن اثرات واپاشی در این داده‌ها نشدند اما آنها می توانند بازه زمانی هر واپاشی اتمی را تخمین بزنند.
ارتقای مدل استاندارد
اگر دانشمندان موفق به مشاهدۀ این واپاشی شوند، به این معنی است که نوترینوها همانند فوتون‌ها، پادماده خودشان می باشند. اگر این نوع واپاشی اتفاق بیافتد، تنها دلیلش همین امر می باشد. دیگر نتیجه‌ای که می توان از این واپاشی گرفت این است که این نوع واپاشی رادیواکتیویته، نامتقارن می باشد. به یاد آورید که واپاشی بتایی، می تواند برعکس هم اتفاق بیافتد(یا الکترون و پادنوترینو گسیل می شود و یا پوزیترون و نوترینو). اگر واپاشی دو بتایی متقارن نباشد، به این معنی است نوترینوها و پادنوترینوها رفتار متفاوتی دارند. تا جایی که علم اطلاع دارد، این اتفاق در دیگر جفت‌های ذره-پادذره دیده نشده است.
این پدیده بر روی مدل استاندارد، که راهی بسیار موفق در توصیف فیزیک ذرات بوده است، اثر می گذارد اما این پدیده هنوز ناقص است. مدل مذکور وجود ذرۀ بوزون هیگز را قبلا پیش‌بینی کرده است. اگرچه شوینگنهویر خاطر نشان کرد که شواهدی بدست آمده است که نشان می دهد نوترینوها دارای جرم(بسیار کم) هستند(این کشف در سال ۱۹۹۸ صورت گرفت و در سال ۲۰۱۵ جایزه نوبل را از آن خود کرد) و نیز ماده تاریک وجود دارد. این گفته‌ها اشاره به این دارند که مدل استاندارد حرف آخر را در فیزیک نمیزند.
دانشیار رشته فیزیک در دانشگاه دوک، فیلیپ باربئو گفت: «اگر واپاشی دو بتایی(بدون نوترینو) مشاهده شود، به حل برخی مشکلات فیزیک کمک می کند. اولین آن، کمک به توضیح نامتقارن بودن ماده-پادماده در کیهان می باشد. همچنین به یافتن پاسخ این مسئله کمک می کند که چرا جرم نوترینو بسیار کم است. همچنین ما می توانیم در مورد جرم نوترینو اطلاعات بیشتری بدست آوریم؛ زیرا که سرعت واپاشی وابسته به جرم نوترینوها است.»
وی افزود:«در آن زمان این سوال پیش می آید که چه نوع علم فیزیک در پس آن قرار دارد. پروژه GERDA راه درازی تا کشف واپاشی مورد نظر دانشمندان در پیش روی خود دارد اما به این معنی نیست که این کشف هیچگاه در آینده صورت نخواهد پذیرفت؛ رد کامل این مسئله نیز کار ساده‌ای نخواهد بود؛ زیرا که ممکن است بازۀ زمانی این آزمایش بیشتر از آن چیزی که دانشمندان تخمین زده‌اند، باشد. در حال حاضر، دانشمندان نیمه عمر کمتری را در نظر گرفته‌اند اما ممکن است آزمایش‌های آینده سرعت فرارسیدن این واپاشی را بیشتر کند. اتفاقی که در صورت مشاهده نشدن این واپاشی خواهد افتاد این است که مدل‌های جدید از دور خارج نمی شوند. ما دیگر به سراغ نظریه‌پردازی‌های اولیه این آزمایش نخواهیم رفت. نتیجه این خواهد بود که ما نمیدانیم که آیا نوترینوها پادذره خود هستند یا خیر.»
برگرفته از Livescience
