چشم زیرآبی زمین

صیاد ذرات نوترینو در اعماق دریای مدیترانه, دام پهن می کند

نوترینوها ممکن است سریع‌تر از نور حرکت کنند یا نکنند، اما صرف‌نظر از این موضوع آنها ذرات بسیار کوچک فاقد بار الکتریکی هستند که از میان بدن ما، سیاره ما و هر چیز دیگری عبور کرده و به گونه‌ای با محیط اطرافشان در تعاملند ‌ که ذرات دیگر بسختی متوجه حضور یا گذر آنها می‌شوند. این ذرات فرو اتمی (ذرات بنیادی اتم) به قدری کوچک و نفوذناپذیرند که دیدن آنها با پیشرفته‌ترین تجهیزات نیز غیرممکن است، اما نکته جالب توجه در مورد نوترینوها این است که این ذرات کوچک و بی‌آزار از سخت‌ترین و مخرب‌ترین فرآیندهای گیتی نشأت گرفته‌اند. نوترینو‌های پرانرژی در اعماق فضا شکل می‌گیرند و به عنوان نوترینوهای اختر فیزیکی شناخته می‌شوند. آنها از مراکز تاریک قوی‌ترین نقاط گیتی(مانند انفجارهای اشعه گاما، بلازارها، کوازارها و سیاهچاله‌های مراکز کهکشانی) گریخته‌اند.

این ذرات می‌توانند به عنوان پیام‌آوران کیهانی، اطلاعات مفیدی از این مراکز پرآشوب و پرسر و صدا به ما بدهند، اما ابتدا باید آنها را دید و شکار کرد و این کاری بس دشوار است.

نوترینوها ذرات مخصوصی هستند که تحت تاثیر فعل و انفعالات بسیار ضعیف قرار دارند به طوری که می‌توانند بدون هیچ نوع فعل و انفعالی از لایه‌های بزرگی از ماده عبور کنند. مثلا می‌توانند بدون هیچ مشکلی از تمام کره زمین بگذرند. از اینجا می‌توان فهمید که چرا مطالعه روی نوترینوها بسیار دشوار است. چون فعل و انفعال آنها بسیار کم است. اما از طرف دیگر مطالعه آنها می‌تواند نتایج علمی بسیار مهمی برای انسان به همراه داشته باشد.

دانشمندان اروپایی برای یافتن این ذرات بسیار کوچک تصمیم گرفته‌اند دومین سازه بزرگ تاریخ بشر که تا امروز به دست انسان‌ها ساخته شده را بنا کنند. قرار است این آشکارساز که KM۳NeT نامیده شده و ۳ کیلومترمربع را پوشش می‌دهد در عمق ۱۰۰۰ متری زیر دریای مدیترانه و در بستر دریا نصب شود تا نوترینوهایی را که به سمت زمین می‌آیند، شکار کند. این سازه همچنین می‌تواند به عنوان یک رصدخانه جدید اقیانوس‌شناسی در یکی از پرتکاپوترین آب‌های جهان خدمت کرده و به زیست‌شناسان کمک کند تا با گوش دادن به وال‌ها به مطالعه دقیق‌تر آنها و سایر جانداران کف اقیانوس بپردازند. به گفته جورجیو ریکوبین یکی از محققان درگیر در این پروژه عظیم، آشکارساز نوترینو پس از دیوار بزرگ چین بزرگ‌ترین سازه‌ای است که توسط بشر ساخته شده است، اما نکته ناامیدکننده آن اینجاست که این سازه به دلیل قرار گرفتن در ریز اقیانوس قابل رویت نخواهد بود.

هدف از ساخت این سازه عظیم و غول‌پیکر کشف نوترینو‌های اختر فیزیکی است که از تحولات عظیم کیهانی نشات گرفته‌اند تا شاید به وسیله داده‌های به دست آمده از آنها، سرچشمه پرتوهای کیهانی کشف و اطلاعات جدیدی از عالم هستی به دست آید.

آشکارساز بزرگی که قرار است به این منظور ساخته شود نتیجه همکاری ۴۰ گروه و موسسه دانشگاهی از ۱۰ کشور جهان از انگلستان گرفته تا رومانی است. ۲۴ نوامبر امسال وزارت تحقیقات و پژوهش ایتالیا ۲۷ میلیون دلار برای انجام فاز اول این پروژه که شامل ساخت ۳۰ برج مجهز به ۳۷۲۰۰ ماژول فتومولتی پلایر در زیر آب است، اختصاص داد. این دوربین‌های دیجیتالی کوچک می‌توانند دانشمندان را از گذر نوترینوها از درون خودشان مطلع کنند.

نوترینوها محصول واکنش‌های رادیواکتیویته‌ای هستند که در خورشید و راکتورهای هسته‌ای قرار دارند. براساس مدل استاندارد ذرات و نیروها، نوترینوها به ۳ شکل الکترون نوترینو، تاونوترینو و میون‌نوترینو وجود دارند.

از آنجا که نوترینوها قابل دیدن نیستند حضور یا گذر آنها را‌باید از یک عامل دوم درک کرد. برای شناسایی نوترینو باید تعاملی بین آن و مواد اطرافش مانند آب، هوا یا فلز انجام گیرد، اما از آنجا که نوترینوها تعامل بسیار اندکی با ماده دارند باید حجم بسیار زیادی از ماده را در یکجا جمع کرد تا احتمال واکنش نوترینو با آن افزایش یابد.

به این منظور محققان آشکارساز KM۳NeT را در دریای مدیترانه جایی که آب بسیار فراوان وجود دارد، خواهند ساخت تا اگر به شکل اتفاقی راه یک ذره نوترینو به طرف زمین کج شد، بتوانند آن را شناسایی کنند. اگر این ذره از نوع میون نوترینو باشد در اثر تعامل با ماده مخروط نور آبی از خود تابش می‌کند که به تابش چرنکوف معروف است.

جای تعجب نیست که تکنولوژی رویت نور تابیده شده توسط نوترینو پیچیده باشد. حسگرهای نوری که تابش چرنکوف را حس می‌کنند تیوب‌های فتومولتی‌پلایر نام دارند و هر یک از آنها قادر به ثبت سیگنال الکترونیکی یک تک فوتون است. در آشکارسازهای قبلی نظیر IceCube و اجدادش مانند Antares و AMANDA فتومولتی‌پلایرها تک‌بعدی بوده و روی رشته‌ها نصب می‌شدند.

محققان آشکارساز KM۳NeT را در اعماق در‌یای مدیترانه ‌خواهند ساخت تا اگر به شکل اتفاقی راه یک ذره نوترینو به طرف زمین کج شد، بتوانند آن را شناسایی کنند

اما در KM۳NeT این حسگرها داخل مخازن تحت فشار کروی به نام ماژول‌های نوری دیجیتال قرار گرفته و سپس روی برج‌های زیر آب نصب می‌شوند. این کار باعث افزایش شفافیت تصاویر دریافتی و فرآیند ردیابی می‌شود. استفاده از چند فتوتیوب کوچک به جای یک فتوتیوب بزرگ باعث می‌شود که بتوان اطلاعات مربوط به جهت ورود نور را هم ثبت کرد.

هنوز پیکربندی شبکه برج‌های زیر آب قطعی نشده، اما در حال حاضر قرار است ارتفاع هر برج نصب شده در زیر آب بیش از ۸۰۰ متر باشد. با این ارتفاع هر یک از برج‌های آشکارساز KM۳NET حدود ۲ برابر برج میلاد تهران ارتفاع خواهند داشت.

ماژول‌های نوری طوری ساخته خواهند شد که فشار ۶ اتمسفر تقریبا معادل فشار در عمق ۷۰۰ متری زیر آب را تحمل کنند.

تاکنون ماژول‌های فتومولتی‌پلایر مربوط به این آشکارساز ساخته شده و در فازهای مختلف توسط مهندسان تست شده است، اما به دلیل آن که بودجه نهایی موسسات درگیر این پروژه هنوز تصویب نشده، طرح نهایی آشکارساز هم قطعی نشده است. برای ساخت این آشکارساز، ۲ گزینه وجود دارد. ساخت یک آشکارساز بزرگ که ۵ برابر IceCube باشد یا شکستن آن به ۳ آشکارساز و نصب در ۳ مکان مختلف. البته KM۳NeT می‌تواند با آشکارسازهای کوچک‌تری همچون آشکارساز اروپایی Antares به صورت هماهنگ کار کند.

KM۳NeT پس از اتمام مراحل ساخت و نصب، بزرگ‌ترین آشکارساز روی زمین خواهد شد. جالب است بدانید که ساخت نزدیک‌ترین خویشاوند او یعنی IceCube یکسال قبل به پایان رسید. در طول یک سال فعالیت IceCube محققان موفق به کشف نوترینوهای بسیار زیادی شده‌اند، اما تاکنون نتوانسته‌اند حتی یک مورد نوترینو اختر فیزیکی را شناسایی کنند.

این دو آشکارساز از جهات زیادی شبیه بهم هستند. هر دو از زمین به عنوان یک فیلتر جهت جلوگیری از تابش پس‌زمینه و کشف نوترینوها استفاده می‌کنند. هر دو برای شکار نور چرنکوف از یک محیط متراکم و عمیق بهره می‌برند، اما تفاوت آنها سوای اندازه‌شان این است که به بخش‌های مختلف آسمان نگاه می‌کنند. KM۳NeT به جنوب آسمان و IceCube به بخش شمالی آسمان زل‌زده است.

ایده ساخت یک تلسکوپ نوترینو بزرگ به ده‌ها سال قبل بازمی‌گردد و همواره فیزیکدان‌ها بر این باور بوده‌اند که انجام این کار در آب‌های عمیق ساده‌ترین راه است. البته با توجه به زیرساخت‌های موجود در قطب جنوب انجام این کار در آنجا هم مناسب و منطقی به نظر می‌رسد.

از آنجا که بستر نصب آشکارساز جدید آب‌های دریاست، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که باید این بستر را بهتر مطالعه کنند. یکی از مشکلات موجود در آب‌های عمیق، تابندگی باکتری‌هاست که می‌تواند روی تیوب‌های فتومولتی‌پلایر تاثیرگذار باشد. بنابراین نیاز به حضور زیست‌شناسان و اقیانوس‌شناسان در مراحل بعدی کار احساس می‌شود. بنابراین علاوه بر فیزیکدانان، زیست‌شناسان و اقیانوس‌شناسان هم با درگیر شدن در پروژه از مزایای آشکارساز جدید در مطالعات مربوط به خودشان سود خواهند برد. چنانچه طبق برنامه‌ریزی‌های انجام شده قدرت KM۳NeT از چندصد گیگاالکترون ولت به چند بیلیون تراالکترون ولت برسد موضوعات زیادی برای کاوش کردن وجود خواهد داشت. با این توان فیزیکدانان قادر خواهند بود به دنبال ذرات عجیب و غریب همچون تک‌قطبی‌ها و ماده تاریک باشند، اما هنوز هم اصلی‌ترین ماموریت این آشکارساز غول‌پیکر نوترینوهای اخترفیزیکی است که یکی از بی‌نظیرترین ذرات عالم هستند.

popsci

مترجم: آتنا حسن‌آبادی