نوترینو ها ذراتی بسیار کوچک شبح-گونه ای هستند که برحسب عادت هویت خود را نیز تغییر می دهند. یک اندازه گیری جدید برروی تغییرات نوترینو های پرانرژی که با سرعت به سمت زمین می آیند، صحت نسبیت خاص اینشتین را نشان داده است.

این ذرات خنثی و کم جرم که نوترینو نامیده می شدند در سال 1930، هنگامی که تناقض در قانون پایستگی انرژی برای واپاشی هسته ی برخی از اتم های ناپایدار دیده شد، کشف شدند. موسسه ی IceCube اکنون از نوترینو های آشکارسازی شده در بزرگترین آشکارساز ذرات برای اثبات ناوردایی لورنتس استفاده می کند. این اصل(ناوردایی لورنتس) نشان می دهد که قوانین فیزیک مستقل از سرعت و جهت چارچوب مرجع آزمایشگر می باشند و همچنین پایه ی محکمی برای نسبیت خاص اینشتین هستند. دانشمندان داده ها را به دقت بررسی می کنند تا شاید بتوانند ناوردایی لورنتس را نقض کنند. آنها یکی از مهم ترین آزمایشات مربوط به نسبیت خاص را انجام می دهند تا بتوانند از طریق ویژگی های عجیب نوترینو ها بتوانند پایه های فیزیک نوین را راستی آزمایی کنند.

فیزیکدانان به طور کلی فرض بر این دارند ناوردایی لورنتس همیشه پابرجاست. اما در اواخر دهه 1990 این اصل به دلیل این که امکان نقض آن در نظریات فیزیک بنیادین وجود داشت، به چالش کشیده شد؛ مثل نظریه ی ریسمان، در طول دو دهه ی اخیر، محققان ناوردایی لورنتس را برای اجرامی از فوتون گرفته تاماه را بررسی کردند.

نوترینو ها با ماده از طریق نیروی هسته ای ضعیف(یکی از چهار نیروی بنیادین طبیعت) برهم کنش می کنند. اثر نیروی هسته ای ضعیف تنها محدود به فواصل بسیار کم است. درنتیجه، برهم کنش های ما بین نوترینو ها و ماده تقریبا غیرممکن است و نوترینو به راحتی می تواند از کل زمین بدون برهم کنش با ذرات آن عبور کند. این مسئله کار فیزیکدانان را که می خواهند در خصوص این ذرات تحقیق کنند، بسیار سخت می کند چرا که هر نوترینویی می تواند از هر آشکارسازی بگذرد بدون اینکه آشکار ساز وجود آن را نشان دهد.

رصد خانه ی نوترینوی IceCube که در قطب جنوب واقع شده است این مشکل را با در نظر گرفتن حجم هدف مورد بررسی به منظور زیر نظر گرفتن بر هم کنش های کمیاب حل کرده است. در قلب آشکارساز 5000 حسگر نوری قرار گرفته اند که بر روی 1 کیلومتر مکعب یخ (1 میلیارد تن) متمرکز شده اند.

حسگر ها به دنبال کوچکترین تابش نور ناشی از برخورد نوترینو با ذرات در یخ هستند.

هدف اصلی رصد خانه ی نوترینوی IceCube رصد نوترینو های کمیاب می باشد که در رویداد های اخترشناسی در جهان تولید می شوند. اما در بررسی ناوردایی لورنتس، این گروه تحقیقاتی برروی نوترینو هایی که فراوانی بیشتری دارند و در اثر برخورد ذرات باردار پرشتاب با اتم های اتمسفر زمین به وجود می آیند، تحقیق می کند. ما 3 گونه نوترینو در جهان داریم: نوترینوی الکترون ، نوترینوی میون و نوترینوی تاو، البته بسیاری از نوترینو های تولید شده در جو زمین نوترینوی میون هستند.

نوترینو های اتمسفری به سمت قطب جنوب حرکت می کنند اما در این راه از گونه ای به گونه ی دیگر تبدیل می شوند. این تغییرات از این نکته نشات می گیرند که نوترینو ها ویژگی های ذرات دیگر را ندارند؛ به عبارت دیگرآن ها ترکیب کوانتومی 3 ذره ی واقعی هستند(v_3,v₁، v₂) که بسیار کم جرم هستند اما با این وجود دارای جرم های متفاوتی هستند.

در یک تقریب ساده مشابه آزمایش IceCube، تولید یک نوترینوی میون در اتمسفر می تواند منجر به تولید همزمان دو موج کوانتومی شود؛ یکی برای v₂ و دیگری برای v₃ . این امواج فقط به صورت نوترینوی میون دیده می شوند چرا که همفاز هستند و قله ی هر دو موج در یک جا دیده می شود. اما نوترینو تاو بر خلاف نوترینوی میون از امواج غیر همفاز بوجود می آید طوری که قله ی موج یکی از امواج با دره ی موج دیگردر یک جا قرار دارند.

سه نوع نوترینو در جهان وجود دارد: الکترون، میون و تاو. الف) نوترینوی میون در جو کره ی زمین تولید می شود که از ترکیب دو موج کوانتومی تشکیل می شود (آبی و قرمز) که همفاز هستند. اگر اصل ناوردایی لورنتس نقض شود، این امواج با سرعت های متفاوتی در داخل زمین منتشر می شوند و به صورت غیر همفاز آشکار می شوند که همان نوترینوی تاو است. ب) اعضای گروه تحقیقاتی IceCube هیچ مشاده ای مبنی بر وجود تناقض ارائه نکرده است که نشان دهنده ی صحت ناوردایی لورنتس می باشد.

اگر نوترینو ها بدون جرم بودند و ناوردایی لورنتس پابرجا بود، دو موج کوانتومی دقیقا مثل هم منتشر می شدند و همیشه همفاز بودند که درنتیجه همیشه تنها نوترینوی میون وجود می داشت. اما تفاوت های کوچک در جرم های و ناوردایی لورنتس موجب ایجاد سرعت های متفاوت برای امواج کوانتومی و در نتیجه تبدیل نوترینو میون(همفاز) به نوترینوی تاو(غیر هم فاز) خواهد شد.

چنین تبدیلاتی به نوسانات نوترینو(neutrino oscillation) معروف هستند و آشکار ساز های IceCube می توانند تناقض هایی از جهت مقدار پتانسیل در ناوردایی لورنتس بدست آورند. نوسانات حاصل از تفاوت جرم در انرژی های بالای نوترینو ها قابل چشم پوشی هستند که مورد توجه نویسنده هنگام بررسی هایش قرار گرفته اند. پس رصد نوسانات می تواند تناقضی در نسبیت خاص اینشتین را نشان دهد.

موسسه ی IceCube اولین گروهی نیست که به دنبال رد ناوردایی لورنتس در نوسانات نوترینوها بوده است. اما دو عامل اصلی موجب ایجاد این گروه های تحقیقاتی شده است؛ 1- نوترینو های اتمسفری که در آن طرف کره ی زمین تولید می شوند تا می خواهند به آشکارساز برسند مسافت بسیار زیادی را باید طی کنند(حدود 13000 کیلومتر)، که این مسئله موجب افزایش احتمال ایجاد تغییرات پتانسیل نوسانات خواهد شد. 2- اندازه ی بزرگ آشکارساز موجب رصد نوترینو ها با انرژی بسیار بالا خواهد شد که بهتر از آزمایشات دیگر می تواند کارکرد داشته است.

اینچنین انرژی های بالایی که امواج کوانتومی دارند موجب می شود که طول موج کوتاهی داشته باشند (به اندازه ی 1 میلیاردیم عرض یک اتم). موسسه ی IceCube هیچ نشانی از نوسانات مشاهده نکرد و خاطرنشان کرد که قله ی امواج نوترینو های v₂ و v₃ وقتی که قطر کره ی زمین را می پیمایند دچار انتقال می شوند. سرعت امواج به اندازه ی بخش کوچکی از 10²⁸ تغییر می کنند(بدست آوردن چنین نتیجه ای از مقایسه ی سرعت ها در تاریخ بسیار ارزشمند بوده است.)

ارزیابی های نویسنده از نسبیت خاص اینشتین آن هم برای اولین بار، حمایت کرد. آزمایش موسسه IceCube نتایج خود را دریافت کرد اما به علت محدودیت داده ها، نویسندگان توجه خود را محدود به تناقض هایی مستقل از جهت انتشار نوترینو ها هستند، کرده اند و چشمپوشی از تناقض های وابسته به جهت انتشار که می توانند به صورت تعمیم یافته گسترش یابند.

با افزایش تعداد نوترینو های آشکار شده، می توان تناقض های وابسته به جهت انتشار را نیز مورد بررسی قرار داد. تحقیقات مشابه برروی نوترینو های پرانرژی اخترفیزیکی که در فواصل نجومی منتشر می شوند می تواند بنیاد های فیزیک را در سطوحی که تا پیش از این بر رویشان فعالیت نشده است مورد راستی آزمایی و ارزیابی قرار دهند.

منبع: Nature 560, 316-317(2018)

Doi:10.1038/d41586-018-05931-2

special relativity validated by neutrinos