نوترینوهای یک باریکه نوترینویی محدوده وسیعی از انرژی دارند، اما محققان با یک ترفند جدید توانستند نوترینوهایی را که انرژی یکسانی دارند، جدا کنند که این کار می‌تواند باعث افزایش دقت آزمایش‌های آتی شود.

نگاهی به نوترینوها. این دید از درون به مخزن آشکارساز MiniBooNE، آرایه‌ای از آشکارسازهای نوری (فوتودکتور) به‌کاررفته برای دریافت نور از میون‌ها و دیگر ذراتی را نشان می‌دهد که هنگام برهم‌کنش نوترینو با هسته درون مخزن خلق می‌شود.

کارکردن با نوترینوها آسان نیست. فیزیک‌دان‌ها برهم‌کنش‌های نادر نوترینو با دیگر ذرات را در آشکارسازهای بزرگ بررسی می‌کنند، اما نمی‌توانند انرژی ورودی نوترینو را کنترل کنند. اکنون پروژه MiniBooNE Collaboration در آزمایشگاه فرمی (Fermilab) نشان داده که چطور بااستفاده از نوترینوهایی که انرژی اولیه یکسان دارند، این مشکل را حل کنند. این نوترینوها به‌صورت کاوش‌گرهای دقیق برهم‌کنش‌ها با نیروی هسته‌ای ضعیف عمل می‌کنند و می‌تواند پاسخ قطعی به این پرسش بدهد که آیا نوترینوهای سترون وجود دارند یا نه، بدهد.

آزمایش MiniBooNE در آزمایشگاه فرمی یکی از چندین آزمایشی است که به بررسی نوسانات نوترینو و تبدیل یک نوع نوترینو به انواع دیگر می‌پردازد. به‌خصوص به دنبال تبدیل نوترینوهای میون به نوترینوهای الکترون، وقتی که مسیر ۵۰۰ متری از منبع تا آشکارساز را طی می‌کنند، هستند که آشکارساز یک کره بزرگ دربردارنده ۸۰۰ تن روغن معدنی و ۱۰۰۰ آشکارساز نوری است.

یکی از عدم‌قطعیت‌های مهم در آزمایش MiniBooNE و آزمایش‌های مشابه، انرژی نوترینوهای ورودی است. محققان می‌توانند این انرژی را با اضافه‌کردن انرژی‌های ذرات خروجی به‌طور غیرمستقیم اندازه‌گیری کنند، اما این تخمین‌ها همیشه دقیق نیستند، آثار هسته‌ای و ذرات گمشده می‌توانند عدم‌قطعیت ایجاد کنند. بااین‌حال، ذرات مشخصی مثل کائون (مزون کا)، نوترینوهای «شمع استاندارد» تولید می‌کنند که انرژی ثابت دارند. کائون‌ها در ۶۴درصد مواقع به میون و نوترینوی میون واپاشی می‌شوند و اگر کائون در حال سکون باشد، نوترینوی حاصل همواره انرژی برابر MeV ۲۳۶ خواهد داشت. این «واپاشی کائون درحال سکون» یا نوترینوی «KDAR» تنها شمع استاندارد دردسترس با انرژی بیشتر از MeV ۱۰۰ است.

اخیرا پروژه MiniBooNE منبعی از نوترینوهای KDAR پیدا کردند که درست کنار آنها است: باریکه NuMI در آزمایشگاه فرمی، نوترینوها را برای آزمایش‌های دیگر تولید می‌کند و در این فرایند نوترینوهای KDAR خلق می‌شود. جاشوا اسپیتز از دانشگاه میشیگان در ان‌آربور، یکی از اعضا گروه MiniBooNE، می‌گوید: این واقعا یک تصادف شادی‌آور است.

وقتی فوتون‌های با انرژی بالا به فلز برخورد می‌کنند و جذب واقعی در انتهای باریکه NuMI رخ می‌دهد، کائون‌هایی تولید می‌شود که حول ماده جذب‌کننده پراکنده می‌شوند و درنهایت به سکون رسیده و نابود می‌شوند. اسپیتز درابن‌باره می‌گوید: MiniBooNE، شار نسبتا بالایی از نوترینوهای KDAR مشاهده کرده است،‌ زیرا نزدیک جذب‌کننده NuMI، ‌فقط ۸۶ متر دورتر از آن، قرار دارد.

یک نوترینوی KDAR که به آشکارساز MiniBooNE می‌رسد، با هسته کربن در روغن معدنی برهم‌کنش می‌کند و یک میون خلق می‌کند که با جرقه نوری که تولید می‌کند، مشخص می‌شود. چالش اینجاست که نوترینوهای دیگر غیر کائون نیز از باریکه NuMI به MiniBooNE می‌رسند و این نوترینوهای پس‌زمینه هم میون تولید می‌کنند. گروهMiniBooNE برای جداکردن سیگنال KDAR از پس‌زمینه از داده‌های زمان‌بندی‌شده استفاده کردند، نوترینوهای KDAR نسبت به هر پالس غیرKDAR که از باریکهNuMI می‌آید، کمی دیرتر می‌رسد. گروه توانست با ترکیب این تکنیک با برخی مدل‌سازی‌های بیشتر، ۳۷۰۰ رخداد نوترینوی KDAR را شناسایی کند. آنها انرژی انتقالی به هسته در هر رخداد را اندازه‌گیری کردند و احتمال (سطح مقطع رخداد) برهم‌کنش نوترینو- هسته را برای هر رخداد برای هر مقدار انتقال انرژی مشخص کردند،‌ اطلاعاتی که می‌توان آنها را با پیش‌بینی‌های مدل‌های هسته‌ای مقایسه کرد.

اُر هن، فیزیک‌دان فیزیک انرژی‌های بالا از موسسه فناوری ماساچوست در کمبریج می‌‌گوید: جداسازی سیگنال KDAR از پس‌زمینه نوترینویی بزرگ، بسیار پیچیده است و پروژه MiniBooNE از ایده‌های بسیار هوش‌مندانه‌ای در تجزیه‌وتحلیل خود بهره برده است. او معتقد است می‌توان از نوترینوهای KDAR برای بهبود درک ما از برهم‌کنش نوترینو-هسته استفاده کرد. کیت شولبرگ، از دانشگاه دوک در کارولینای شمالی، متخصص نوترینو می‌گوید: ما به‌خوبی نمی‌دانیم دقیقا چه اتفاقی برای هسته‌ای می‌افتد که یک نوترینوی چندصد مگاالکترون‌ولتی به آن برخورد می‌کند. اما در برهم‌کنش نوترینوی KDAR، شما دقیقا می‌دانید انرژی ورودی چقدر است، به‌این‌ترتیب می‌توانید واکنش هسته را بررسی کنید.

پروژه MiniBooNE در مقاله‌ای که در فیزیکال ریوو لتر (Physical Review Letters) منتشر شده نوشته که در آینده نوترینوهای KDAR را می‌توان به‌عنوان کاوش‌گر منحصربه‌فرد هسته به‌کار برد. نوترینوها خنثی هستند و فقط از طریق نیروی هسته‌ای ضعیف برهم‌کنش می‌کنند، بنابراین ممکن است اطلاعاتی، مانند محتوای کوارک شگرف در هسته، را نشان دهد که معمولا در اطلاعات نیروهای الکترومغناطیسی قوی‌تر پوشانده شده و دیده نمی‌شوند. شولبرگ می‌گوید بررسی‌های نوترینوی KDAR در تفسیر نتایج آزمایش‌های نوسانی آینده (مثل آزمایش Deep Underground Neutrino و رصدخانه Hyper-Kamiokande) بسیار مهم خواهد بود، که محققان در آنجا به‌دنبال پرکردن قطعات نهایی پازل تصویر نوترینو هستند. شولبرگ از نوترینوهای KDAR به‌طور مستقیم در آزمایش نوسان استفاده کرده تا ذرات را کنترل کند و ببیند که آیا هیچ ذره‌ای با انتقال به نوترینوی سترون، ذرات فرضی که با ماده برهم‌کنش نمی‌کنند، ناپدید می‌شود یا نه.

نویسنده: مایکل شیربر، ویراستار فیزیک از لیون، فرانسه