گمان می‌رود که بتوان ناهم‌خوانی میان مشاهدات خوشه‌های کهکشانی و تابش‌های پس‌زمینه‌ی کیهانی را با گونه‌ی چهارمی از نوترینوها توضیح داد.

نوترینوها فراوان و البته رازآلود هستند: تنها می‌دانیم که دارای جرم هستند -اما درباره‌ی اندازه‌اش یقین نداریم- و دریافته‌ایم که دست کم در سه گونه یا «طعم» وجود دارند –اما امکان دارد گوناگونی بیش‌تری داشته باشند. پژوهش‌گران، در مطالعه‌ای تازه، فهمیده‌اند که اگر نوترینوها از آن چه که تاکنون اندیشیده می‌شد، پرجرم‌تر باشند، می‌توان ناهم‌خوانی میان مشاهده‌های مربوط به خوشه‌های کهکشانی و نتیجه‌ی اندازه‌گیری‌ها بر پرتوهای پس‌زمینه‌ی کیهانی (CMB) را توضیح داد. هم‌چنین نشانه‌‌هایی از وجود گونه‌ی چهارم و هم‌چنان دیده‌نشده‌ی نوترینوها به چشم می‌خورند.

به نظر می‌رسید که با بهبود یافتن اندازه‌گیری‌ها، در سال‌های آینده، تنش ایجاد شده میان اندازه گیری پارامترهای کیهان شناسی از خوشه‌های کهکشانی و تابش‌های پس‌زمینه‌ی کیهانی حل شود ( یافتن جرم گم‌شده‌ی کهکشان را ببینید). تابش‌های پس‌زمینه تباین کوچکی را در چگالی کیهان اولیه نشان می‌دهد که می‌توانسته‌است سبب شود ماده در مکان‌هایی چگالیده شود و در مکان‌هایی دیگر ناحیه های فروچگال درست شود. گسترش خوشه‌های کهکشانی در کیهان امروزی نتیجه‌ی نهایی همین ناپایداری های گرانشی است.

تلسکوپ پلانک، متعلق به سازمان فضایی اروپا، در تاریخ مارچ ۲۰۱۳، بهترین اندازه‌گیری‌ها بر تابش‌های پس‌زمینه‌ی کیهانی را انجام داده‌است. اندازه‌گیری‌های مربوط به خوشه‌های کهکشانی با روش‌های گوناگونی مانند نقشه‌برداری‌ از توزیع جرم در کیهان، با بهره‌گیری از همگرایی گرانشی، یا بررسی چگونگی خم شدن نور انجام شده‌اند. اما این اندازه‌گیری‌ها، با یکدیگر، هم‌خوانی ندارند. ریچارد بتی، از دانشگاه منچستر در بریتانیا و همکار وی، در این مطالعه^۱ که در هفتم فوریه در Physical Review Letters چاپ شده‌است، می‌گویند «کیهان را در دو زمان اولیه و زمان های اخیر مقایسه می‌کنیم. این گونه می‌توان مدلی ساخته و ارتباط مدل را در دو زمان برون‌یابی کرد» ... «اگر با مدلی که بر داده‌های CMB برازش یافته‌است، کار کنیم، شمار خوشه‌ها برابر با نیمی از انتظار مدل ما، به دست می‌آید.»

اگر نوترینوها از فرآیند شکل‌گیری خوشه‌های کهکشانی جلوگیری کرده‌باشند –که این فرایند با نوترینوهای به اندازه‌ی کافی پرجرم امکان می‌یابد- می‌توان این ناهم‌خوانی را توضیح داد. چنین اندیشیده می‌شود که در زمانی در تاریخچه حراراتی ، کیهان از انرژی آستانه‌ی مربوط به نوترینوها گذشته است: زمانی که کیهان در حیات نخستین‌ش گرم و چگال بوده‌است. نوترینوها در این زمان نسبیتی بوده و با سرعت نور حرکت می‌کرده‌اند. در این حالت، تحت نیروی جاذبه‌ی گرانشی‌شان، به یک‌دیگر فشرده نشده‌اند و تشکیل ساختار نداده اند. پس از سرد شدن کیهان، و رد شدن آن از آستانه‌ی انرژی، نوترینوها کندتر شده و سرعت‌شان از نور کم‌تر شده‌است. سپس خوشه‌شدن را همراه با مولفه های دیگر کیهان که غیر نسبیتی بوده اند را آغاز کرده‌اند. بتی توضیح می‌دهد که «شمار خوشه‌های کهکشانی‌ای که ممکن است در کیهان دیده‌شوند، تابعی از جرم نوترینو است» ... «هرچه که پرجرم‌تر باشند، سهم بیش‌تری در چگالی کل کیهان داشته و به آهسته‌گی فرآیند شکل‌گیری خوشه‌ها را کمتر کرده اند.»

بتی و هم‌کاران‌ش، آدام ماس، از دانشگاه ناتینگهام در بریتانیا، دریافته‌اند که اگر جرم سه گونه‌ی نوترینویی که می‌شناسیم، ۳۲_/۰ الکترون‌ولت (با دقت۰۸۱_/۰) یا یک سوم از یک میلیاردم جرم پروتون باشد، می‌توان شمار خوشه‌هایی را که امروز می‌بینیم، توضیح دهیم. بنا بر تخمین‌های گذشته کافی بود جرم نوترینوها تنها ۰۶_/۰ الکترون‌ولت باشد. اندره دو ژووآ از دانش‌گاه شمال‌غرب ایوانستون، ایلینویز، که خود در این مطالعه هم‌کار نبوده‌است، می‌گوید: چنین جرم کل بالایی غافل‌گیرکننده، «جالب و البته دارای نتایج مثبت است». به عنوان نمونه، نشان می‌دهد که هر سه طعم نوترینو –الکترونی، میوئونی و تائونی- جرم‌های تقریبا یکسانی دارند؛ این نتیجه‌ای غافل‌گیرکننده است. دو ژووآ می‌گوید: «این می‌تواند بر درک ما از سازوکار جرم‌دار شدن نوترینو تاثیر بگذارد.»

افزون بر این، بتی و ماس شواهدی بر وجود گونه‌ی چهارمی از نوترینو یا گونه‌ی «سترون» یافته‌اند. ژوزف فورماجیو از موسسه‌ی فن‌آوری ماساچوست در کمبریج، که در این مطالعه هم‌کار نبوده است، می‌گوید: «این ایده بسیار هیجان‌انگیز است» ... «نوترینوی چهارم مثل آب بستن به زیر مدل استاندارد است.» سه گونه‌ی شناخته‌شده‌ی نوترینو می‌توانند از یک طعم به دیگری بروند. نوترینوی سترون نمی‌تواند تغییر طعم دهد و حتی کم‌تر از طعم‌های گوشه‌گیر شناخته‌شده‌، با ماده‌ی معمولی، برهم‌کنش دارد.

مدت‌ها است که نظریه‌پردازها وجود نوترینوی چهارم را پیش‌نهاد می‌دهند اما عموما اثبات‌های مبهمی ارائه می‌نمایند. به تاز‌گی در آزمایش‌های یک شتاب‌دهنده^۲ سرنخ‌هایی از وجود آن‌ها دیده‌شده‌اند. فورماجیو می‌گوید: «جالب‌تر آن است که جرم نوترینوی سترون (بنابر گفته‌ی بتی و ماس) با جرم دیده‌شده در آزمایش‌های دیگر هم‌خوانی دارد» ... «به اندیشه‌ی من همه به داده‌ها نگاه می‌کردند و می‌گفتند باید چیزی وجود داشته باشد.» هم‌زمان یک مطالعه‌ی دیگر^۳، با ایده‌ی مشابه نوترینوی سترون سنگین‌تر، در همین شماره‌ی PRL چاپ شد. در مقاله‌ی گفته‌شده که کاری از مارک وایمن از دانش‌گاه شیکاگو انجام داده است نیزبه مطالعه تفاوت داده‌های پلانک و خوشه‌های کهکشانی پرداخته است و نتیجه‌هایی مشابه با یافته‌های بتی و ماس به دست آمده‌اند.

سال‌ها چنین اندیشیده می‌شد که نوترینوها کاملا بی‌جرم هستند؛ اما کشف این که می‌توانند طعم خود را تغییر دهند، نشان داد که دست کم جرم اندکی دارند. باور بر این است که هر حالت طعمی، ترکیبی از سه جرم ناشناخته‌ی نوترینویی می‌باشد –که جرم ۱، ۲ و ۳ نامیده می‌شوند- و به سبب همین ترکیب است که طعم می‌تواند در طول زمان تغییر کند. فورماجیو توضیح می‌دهد که تنها زمانی این تبدیل امکان‌پذیر است که حالت‌های جرمی با یکدیگر متفاوت باشند؛ و این تفاوت تنها زمانی ممکن است که جرم نوترینوها غیرصفر باشد.

با کمک آزمایش‌های بررسی نوترینوها، در زمان تغییر طعم، می‌توان تفاوت جرم‌های نوترینویی را یافته و گونه‌ی پرجرم‌تر -و رتبه‌بندی جرمی نوترینوها- را شناسایی نمود. یکی از این آزمایش‌ها که با نام NuMI Off-Axis νe Appearance یا NovA شناخته می‌شود، در هفته‌ی گذشته، اندازه‌گیری‌های خود را آغاز کرد. در این آزمایش‌ها که در آزمایش‌گاه شتاب‌دهنده‌ی ملی فرمی یا فرمی‌لب (Fermilab)، در شیکاگو، انجام می‌شوند، یک باریکه‌ی نوترینویی تولید و به سوی دو آشکارساز فرستاده می‌شود –یکی در نزدیکی فرمی‌لب و دیگری در فاصله‌ی ۸۰۰ کیلومتری و در رودخانه‌ی اش، در مینه‌سوتا، است. در آغاز تمام ذره‌ها در طعم نوترینوی میوئونی هستند؛ اما اندکی از آن‌ها در طعم الکترونی به آشکارساز دورتر رسیده و نشانه‌ی متفاوتی تولید می‌کنند. فراوانی این پدیده به تفاوت جرم‌ میان نوترینوهای الکترونی و میوئونی بستگی دارد.

در آزمایش دیگری که در ژاپن طراحی شده و برنامه‌ی Japanese Tokai to Kamioka یا T2K نامیده می‌شود، تبدیل‌ طعم جست‌وجو می‌گردد. این گروه در هفته‌ی گذشته اعلام کرده‌است که ۲۸ گزینه برای جهش از گونه‌ی میوئونی به الکترونی دیده شده‌اند که تنها ۵ مورد از آن‌ها به نظر واقعی می‌آیند. این مهم‌ترین شاهد این نوسان نوترینویی است؛ اما هم‌چنان، برای پاسخ به پرسش‌ها پیرامون جرم نوترینوها، داده‌های بیش‌تری نیاز است. فورماجیو که، در دهم فوریه، مقاله‌ای در توضیح یافته‌ها، در PRL چاپ کرده‌است، می‌گوید: «مانند این است که در یک مسیر طولانی، بالاخره یک تابلوی بزرگ ببینید». ریک تسارک، نماینده‌ی مجری برنامه‌ی NovA می‌گوید، این دو آزمایش مکمل یکدیگر هستند. « NovA ظرفیت‌هایی دارد که T2K از آن‌ها بی‌بهره است» و البته برعکس. این آزمایش‌ها فن‌آوری‌های آشکارسازی متفاوتی را به کار بسته‌اند که به اثرهای متفاوتی حساس هستند؛ در برنامه‌ی NovA مسیر میان باریکه‌ی نوترینویی و آشکارسازها، طولانی‌تر است.

ممکن است با گردآوری داده‌های بیش‌تر، در این آزمایش‌ها، راز جرم نوترینوها حل شود. هم‌چنین آینده معلوم می‌کند که آیا اندازه‌گیری‌های خوشه‌های کهکشانی و داده‌های تابش‌های پس‌زمینه کیهانی، حقیقتا ناسازگار هستند؛ و در نتیجه آیا در انتهای این مسیر، نوترینو‌های پرجرم‌تر و/یا نورینوی سترون نشسته‌اند. بتی می‌گوید: «اندازه‌‌گیری‌ها همواره در حال پیش‌رفت هستند» ... «و من پنج سال پس از این را تصور می‌کنم که دیگر می‌دانیم چه چیز درست است.»

منبع:

مرجع: