یافتن نوترینوهای عقیم ممکن است اسرار کیهانی را حل کند
همانطور که دانشمندان به کسب دانش درباره شکل گیری و ساختار جهان ادامه می دهند، اکتشافات آنها اسراری را هویدا می کنند که مدل های مختلف خلقت کیهانی را کنکاش مینمایند. یکی از این معماها، ذرات تشکیل دهنده ماده تاریک هستند که اخترشناسان معتقدند ۸۵ درصد از ماهیت مادی جهان را تشکیل میدهند. با این حال به لطف ابزار دقیق، دانشمندان ممکن است به زودی قادر به شناسایی ذراتی باشند که بیشتر ماده تاریک جهان را تشکیل میدهند و این اکتشاف ممکن است به حل اسرار کیهانی کمک کنند.
جستجو برای نوترینوهای عقیم (استریل)
این امکان وجود دارد که بخش بزرگی از ماده تاریک جهان از نوترینوهای عقیم تشکیل شده باشد. بنابراین، محققان تلاش قابل توجهی را برای شناسایی آنها صرف می کنند. در سال 2011، من پنج مقاله در مورد نوترینوهای عقیم نوشتم.1 نوترینوهای عقیم از نوترینوهای فعالی که در مقاله هفته گذشته توضیح دادم متمایز هستند. “پیشرفت های نوترینو: شواهد بیشتری برای ایجاد و طراحی کیهانی”.2 نوترینوهای فعال با فوتونها، پروتونها، نوترونها و الکترونها از طریق نیروی هستهای ضعیف و نیروی گرانش، تعامل بسیار ضعیفی دارند. نوترینوهای فعال در سه نوع یا شکل وجود دارند: الکترون، میون و تائو. نوترینوهای عقیم ذراتی فرضی هستند که تصور میشود فقط از طریق نیروی گرانش برهم کُنِش میکنند.
مدل استاندارد ایجاد ذرات، مستلزم این است که دقیقاً سه نوع مختلف نوترینو فعال وجود داشته باشد. با این حال، اگر نوترینوهای عقیم وجود داشته باشند، باید حداقل سه نوع مختلف از آنها وجود داشته باشد.3
تاکنون، تنها ذرات ماده تاریکی که ستاره شناسان و فیزیکدانان ذرات کشف کرده اند، سه نوترینو فعال هستند. همانطور که در مقاله قبلی خود گفتم، اندازهگیریهای جدید مجموع جرمهای تک الکترون، میون و نوترینو تائو را 0.05841-0.087 الکترون ولت (eV) تعیین میکنند. این محدوده جرم نشان می دهد که نوترینوهای فعال فقط بخش کوچکی از ماده تاریک جهان را تشکیل می دهند.
ستاره شناسان و فیزیکدانان پیشنهاد کرده اند که نوترینوها یا آکسیون های عقیم (یک ذره فرضی دیگر) یا هر دو می توانند اکثریت ماهیت ماده تاریک جهان را تشکیل دهند. این دو ذره، پتانسیل توضیح اسرار کیهانی زیر را دارند:
- چرا اولین ستارگان ظاهراً در همان ابتدای تاریخ کیهانی شکل می گیرند؟
- چرا جهان کمی باریون بیشتری (پروتون و نوترون) نسبت به آنتی باریون تولید می کند؟
- چرا ابرنواخترهای فروپاشی هسته، فراوانی غیرمنتظره بالایی از عناصر خاص با وزن اتمی بیشتر از 100 تولید می کنند؟
- چرا شوک های ابرنواختر بسیار پرانرژی هستند؟
- چرا هاله های ماده تاریک نسبتا متقارن و نَرم هستند؟
- چرا سیاهچاله های کلان جرم در ابتدای تاریخ کیهانی شکل می گیرند؟
- چگونه می توان مقدار کمی ماده تاریک گرم را برای همراهی با ماده تاریک سرد غالبی که ستاره شناسان مشاهده می کنند، شناسایی کرد.
در نتیجه در دو دهه گذشته، اخترشناسان و فیزیکدانان هم در آزمایشگاهها و هم در آسمان به دنبال کشف وجود نوترینوها و یا آکسیونهای عقیم بودهاند. در چند بخش بعدی، نتایج جهات مختلف تحقیق را خلاصه میکنم. با توجه به فنی بودن این داده ها، در صورت تمایل از آن استفاده کنید و تصویر کلی را در حالی که به «پیامدهای فلسفی» ادامه می دهید، دریافت کنید.
تشخیص نوترینوهای استریل آزمایشگاهی؟
در سال 2018، موسسه همکاری MiniBooNE اعلام کرد که در آزمایش نوترینوی پایه کوتاه، نوسانات نوترینوی الکترونی را کشف کرده اند.4 آنها این مازاد نوسانی را به عنوان شواهدی برای وجود نوع چهارم نوترینو در سطح معنی داری 4.7 انحراف استاندارد (معادل 99.99٪ قطعیت) تفسیر کردند. نوسانات بیش از حد نوترینو نیز توسط آشکارساز نوترینو سوزن مایع ( (LSNDبا سطح اطمینان مشابهی برای وجود نوع چهارم نوترینو شناسایی شد.5
فیزیکدان نظری، یواخیم کوپ، دانشمند-کارمند شتاب دهنده ذرات سِرن ژنو سوئیس، در مقاله ای کوتاه توضیح داد که چرا سیگنالهای شناسایی شده توسط آزمایش های MiniBooNE و LSND شواهدی برای یک نوترینوی استریل یا عقیم است.6 شواهد دیگری برای نوع چهارم نوترینو از یک ناهنجاری ضد نوترینو مشاهده شده در یک راکتور هستهای فرانسوی به دست آمده که به بهترین وجه به عنوان نوسانات بیش از حد نوترینوی الکترون توضیح داده میشود. 7 در اندازهگیری پادنوترینوها درآزمایش نوترینویی راکتور خلیج دایا در چین،8 راکتور خلیج دایا 6 درصد پادنوترینو کمتری نسبت به زمانی که فقط سه نوع نوترینو وجود داشت تولید کرد. با این حال، ترکیب شار پادنوترینو و طیف نتایج خلیج دایا نشان میدهد که ممکن است پادنوترینوها از بین نروند. البته ممکن است پیشبینیهای نظریه هستهای در این خصوص ناقص باشند.
ردیابی و شناسایی نوترینوهای استریل نجومی؟
در سال 2014، تیمی از اخترشناسان به رهبری اسرا بلبل یک خط گسیل پرتو ایکس ضعیف را در طیف پرتو ایکس انباشته شده از 73 خوشه کهکشانی شناسایی کردند. 9 این تیم اخترشناسی نشان داد که چگونه فروپاشی نوترینوهای عقیم با جرم 7.1 کِو این خط طیفی را به بهترین شکل توضیح می دهد. همچنین در سال 2014، تیمی از اخترشناسان به رهبری الکسی بویارسکی همان خط گسیل اشعه ایکس را در هسته کهکشان آندرومدا و در خوشه کهکشان پرسئوس شناسایی کردند. 10
نوترینوها رشد ساختارهای بزرگ مقیاس در جهان را به نسبت کل جرم انواع نوترینو سرکوب می کنند. نوترینوها همچنین بر تاریخچه سرعت انبساط جهان تأثیر می گذارند. بنابراین، مشاهدات خوشهبندی کهکشانها و خوشههای کهکشانی بهعلاوه نقشههای تابش پسزمینه مایکروویو کیهانی (تابش باقیمانده از رویداد خلقت کیهانی) محدودیتهایی را بر تعداد انواع نوترینو و جرم کل ذرات نوع نوترینویی مختلف ایجاد میکنند.
حساسترین نقشههای تابش پسزمینه مایکروویو کیهانی ( (CMBRاندازهگیری تعداد مؤثر انواع نوترینو را نشان میدهند. از آنجایی که سه نوع نوترینوی فعال در لحظه نابودی الکترون-پوزیترون پس از پیدایش کیهان به طور کامل از هم جدا نشدند، این سه نوع به خودی خود معیاری برای تعداد مؤثر انواع نوترینو به دست میدهند (Neff)= 3.046.11 بهترین نقشه پلانک2018 CMBR، اندازه گیری ((Neff) = 2.99 ± 0.17 ) را تولید کرد.12 این اندازه گیری با اطمینان 95٪ نشان می دهد که (Neff)باید کمتر از 3.34 باشد. علاوه بر این، محدودیتهای مشاهدهای در فراوانی اولیه هِلیُم، دوتریوم و لیتیوم 13، مقدار (Neff)= 4 را بسیار بعید میسازد.14 همانطور که موسسه پلانک در مقاله خود نوشت، “وجود یک نوترینوی استریل گرم شده با نور در تضاد شدید با داده های کیهان شناسی است.” 15 حتی در جایی که تولید نوترینوهای استریل توسط فعل و انفعالات غیر استاندارد سرکوب می شوند، جرم نوترینوهای عقیم نمی تواند بیشتر از 0.23 eV باشد. ترکیب دادههای پلانک و خلیج دایا حد بالایی 0.2 eV را برای جرم نوترینوی استریل در تمام سناریوهای ممکن فراهم میکند.15
آخرین محدودیت های نوترینوهای استریل
سه فیزیکدان در بریتانیا، ایتالیا و اسپانیا آخرین مشاهدات CMBR، نوسانات صوتی باریون،ابرنواخترهای نوع IA و نرخ رشد ساختار کیهانی را ترکیب کردند تا سختترین محدودیت را بر تعداد کل انواع نوترینو ایجاد کنند. نتیجه آنها Neff = 0.16 ± 3.05 بود، به این معنی که با اطمینان 95٪ ، Neff باید کمتر از 3.37 باشد. 16 در همین حال، MiniBooNE Collaboration آزمایشات خود را ارتقا داد و حساسیت آنها را به طرز چشمگیری بهبود بخشید. اکنون این آزمایشها MicroBooNE نامیده می شوند.
در یک پیشنویس که در 29 اکتبر 2021 چاپ و منتشر شد، MicroBooNE Collaboration نتایج مشاهدات اولیه خود را از برهمکنشهای نوترینوی الکترون از پرتو نوترینوی تقویتکننده Fermilab با استفاده از محفظه تابشگر زمان آرگون مایع MicroBooNE ارائه کرد.17 آنها با حساسیت بیشتری نسبت به MiniBooNE قبلی آزمایش را انجام دادند و هیچ گونه نوسان نوترینوی الکترونی اضافه وهمچنین هیچ نشانه ای از وجود نوترینوهای عقیم پیدا نکردند. محققان بدون نگرانی از ضرایب خطا ،
MicroBooNE را مجدداً به کار خواهند گرفت که قرار است نتایج دقیق و حساس تری را ارائه دهد و همچنین آزمایش STEREO در آزمایشگاهی دیگر، برای دستیابی به خروجی با حساسیت بالا آماده شده است. 18 درهمین حال، پرتو ایکس آسمان توسط ماموریتهای eROSITA و Athena 19 و تلسکوپ KM3NeT/ORCA در شرف بررسی است. 20
محدودیت های Axions
همانطور که در مقالههای قبلی توضیح دادم، وجود تعداد قابل توجهی از اکسیونها باعث میشود ستارههای کوتوله سفید با سرعت بیشتری سرد شوند.21 در سال 1992، مشاهدات سرد شدن کوتولههای سفید نشان داده بود که اکسیونها، اگر وجود داشته باشند، نمیتوانند جرم ذره ای بیشتر از 0.01 eV داشته باشند.22 حدود یک دهه پیش، دو تیم مختلف از اخترشناسان نشان دادند که سرد شدن بیش از حد کوتولههای سفید به خوبی با گسیل اکسیون توضیح داده میشود که در آن جرم ذرات آکسیون تنها چند میلی الکترو ولت (eV) است.23 در حالی که این سرد شدن بیش از حد، اولین نشانه مثبت وجود آکسیون ها را به همراه داشت، به این معنا بود که آکسیون ها تنها بخش کوچکی از ماده تاریک جهان را فراهم می کنند.
وجود آکسیون ها با تجزیه و تحلیل مشاهدات انجام شده توسط یکی از دو تیم ثابت شد. تیم به رهبری جوردی ایسرن خاطرنشان کرد که سرد شدن بیش از حد مشاهده شده ستاره های کوتوله سفید می تواند یک محصول باشد که توسط سرعت تشکیل ستاره معرفی شده است. با این حال، جمعیتهای کوتوله سفید دیسک نازک، دیسک ضخیم و هاله در کهکشان ما ، هر کدام دارای نرخهای مختلف تشکیل ستاره هستند. این واقعیت که اخترشناسان سرد شدن بیش از حد یکسانی را در هر سه جمعیت کوتوله سفید مشاهده می کنند به این معنی است که سرد شدن بیش از حد نمی تواند محصولی از سرعت تشکیل ستاره باشد که احتمالاً به دلیل انتشار آکسیون هاست. تیم ایسرن یک جرم ذره آکسیون را در محدوده 4 تا 10 میلی الکترون ولت به دست آوردند.24
آینده ستاره شناسی آکسیون امیدوار کننده به نظر می رسد. مشاهدات گستردهتری از منحنیهای خنککننده کوتولههای سفید در حال انجام است و یک تلسکوپ محوری به نام آکسیون خورشیدی IAXO به این منظور در دست توسعه است.25 اگر آکسیونها بخشی از ماده تاریک کشف نشده کیهان باشند، ستارهشناسان احتمالاً به زودی متوجه آن خواهند شد.
مفاهیم فلسفی
محدودیت های موجود بر روی احتمال وجود نوترینوهای عقیم به جایی رسیده است که حتی اگرآنها وجود داشته باشند، نمی توانند بخش قابل توجهی از ماده تاریک در جهان را تشکیل دهند. به همین ترتیب، به طور فزاینده ای آشکار می شود که آکسیون ها بخش قابل توجهی از ماده تاریک جهان را تشکیل نمی دهند.
ماده تاریک جهان عمدتاً ماده تاریک سردی است که از ذراتی تشکیل شده است که با سرعت بسیار کمتر از سرعت نور حرکت می کنند. با این حال، بخش کوچکی از ماده تاریک جهان، ماده تاریک گرم است که متشکل از ذراتی است که با کسر قابل توجهی از سرعت نور حرکت می کنند. نوترینوهای عقیم، اگر وجود داشته باشند، ماده تاریک گرم خواهند بود. با توجه به محدودیتهای تشخیص فعلی، این امکان وجود دارد که نوترینوهای عقیم، تمام یا بیشتر ماده تاریک گرم جهان را تشکیل دهند. از طرف دیگر اکسیون ها ذرات ماده تاریک سرد هستند.
اینکه نوترینوها و یا آکسیون های عقیم بخش قابل توجهی از ماده تاریک جهان را تشکیل نمی دهند به این معنی نیست که نظریه های ماده تاریک با مشکل مواجه هستند. ستاره شناسان و فیزیکدانان بیش از سی ذره دیگر را نیز در نظر دارند که می توانند ماده تاریک جهان را تشکیل دهند. با این حال، نوترینوها و یا آکسیونهای عقیم، بیشتر ماده تاریک جهان را تشکیل میدهند و بیشترین چشمانداز را برای شناسایی دارند. جستجو برای دیگر ذرات کاندید تشکیل دهنده ماده تاریک از نظر فناوری چالش برانگیزتر خواهد بود. علم اینگونه پیشرفت می کند. اغلب برای دستیابی به پیشرفتها، گامهای کوچک زیادی لازم است. به همین دلیل است که دانشمندان آزمایش و آزمایش مجدد می کنند.
همانطور که در مورد مدل ایجاد انفجار بزرگ توسط کتاب مقدس پیش بینی شده ،26 همه این یافته های جدید در مورد ذرات ماده تاریک و چشم انداز اکتشافات ذرات ماده تاریک در آینده، مطابق و پیش بینی شده توسط مدل های ایجاد انفجار بزرگ هستند. مدلهای مهبانگ که امکان وجود حیات فیزیکی را ممکن میسازند، مقدار مشخصی از ماده تاریک را پیشبینی میکنند که در آن ماده تاریک از ذراتی تشکیل شده است. کمیتی که با بهترین اندازهگیریهای ستارهشناسان مطابقت دارد.27 این یافتههای علمی نشاندهنده این موضوع است که هر چه بیشتر در مورد جهان یاد بگیریم شواهد بیشتری برای وجود آفریننده ای فراتر از جهان که آن را طراحی و ایجاد کرده است، کشف می کنیم.
پینوشت
- Hugh Ross, “Candidates Compete for Top Billing among Cosmic Particles,” Reasons to Believe (June 1, 2011); Hugh Ross, “Have the Real ‘God Particles’ Been Found? Part 1 (of 4),” Reasons to Believe (January 24, 2011); Hugh Ross, “Have the Real ‘God Particles’ Been Found? Part 2 (of 4),” Reasons to Believe (January 31, 2011); Hugh Ross, “Have the Real ‘God Particles’ Been Found? Part 3 (of 4),” Reasons to Believe (February 7, 2011); Hugh Ross, “Have the Real ‘God Particles’ Been Found? Part 4 (of 4),” Reasons to Believe (February 14, 2011).
- Hugh Ross, “Neutrino Breakthroughs: More Evidence for Cosmic Creation and Design,” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, January 3, 2022.
- Masahiro Ibe, Alexander Kusenko, and Tsutomu T. Yanagida, “Why Three Generations?” Physics Letters B 758 (July 10, 2016): 365–369, doi:10.1016/j.physletb.2016.05.025.
- A. A. Aguilar-Arevalo et al. (MiniBooNE Collaboration), “Significant Excess of Electronlike Events in the MiniBooNE Short-Baseline Neutrino Experiment,” Physical Review Letters 121, no. 22 (November 30, 2018): id. 221801, doi:10.1103/PhysRevLett.121.221801.
- C. Athanassopoulos et al., “Candidate Events in a Search for νmu → νe Oscillations,” Physical Review Letters 75, no. 14 (October 2, 1995): id. 2650, doi:10.1103/PhysRevLett.75.2650; A. Aguilar et al. (LSND Collaboration), “Evidence for Neutrino Oscillations from the Observation of νe Appearance in a νmu Beam,” Physical Review D 64, no. 11 (December 1, 2001): id. 112007, doi:10.1103/PhysRevD.64.112007.
- Joachim Kopp, “The Plot Thickens for a Fourth Neutrino,” Physics 11 (November 26, 2018): id. 122, doi:10.1103/Physics.11.122.
- G. Mention et al., “Reactor Antineutrino Anomaly,” Physical Review D 83, no. 7 (April
291, 2011): id. 073006, doi:10.1103/PhysRevD.83.073006. - F. P. An et al. (Daya Bay Collaboration), “Measurement of the Reactor Antineutrino Flux and Spectrum at Daya Bay,” Physical Review Letters 116, no. 6 (February 12, 2016): id. 061801, doi:10.1103/PhysRevLett.116.061801.
- Esra Bulbul et al., “Detection of an Unidentified Emission Line in the Stacked X-Ray Spectrum of Galaxy Clusters,” Astrophysical Journal 789, no. 1 (June 2014): id. 13, doi:10.1088/0004-637X/789/1/13.
- A. Boyarsky et al., “Unidentified Line in X-Ray Spectra of the Andromeda Galaxy and Perseus Galaxy Cluster,” Physical Review Letters 113, no. 25 (December 19, 2014): id. 251301, doi:10.1103/PhysRevLett.113.251301; Kevork N. Abazajian, “X-Ray Line May Have Dark Matter Origin,” Physics 7 (December 15, 2014): id. 128, doi:10.1103/Physics.7.128.
- Gianpiero Mangano et al., “Relic Neutrino Decoupling including Flavour Oscillations,” Nuclear Physics B 729, nos. 1–2 (November 21, 2005): 221–234, doi:10.1016/j.nuclpjysb.2005.09.041.
- N. Aghanim et al. (Planck Collaboration), “Planck 2018 Results VI. Cosmological Parameters,” Astronomy & Astrophysics 641 (September 2020): id. A6, doi:10.1051/0004-6361/201833910.
- Hugh Ross, “Cosmic Creation Model Passes Key Helium Abundance Test,” دلیل جدید امروز برای باور (blog), Reasons to Believe, July 8, 2019; Hugh Ross, “New Deuterium Measurements Bolster Big Bang Cosmology,” دلیل جدید امروز برای باور (blog), Reasons to Believe, December 28, 2020; Hugh Ross, “Is Lithium a Problem for the Big Bang Creation Model?” دلیل جدید امروز برای باور (blog), Reasons to Believe, February 20, 2017.
- Aghanim et al. (Planck Collaboration), “Planck 2018 Results.”
- Matthew Adams et al., “Direct Comparison of Sterile Neutrino Constraints from Cosmological Data, νe Disappearance Data and νmu → νe Appearance Data in a 3 + 1 Model,” European Physical Journal C 80, no. 8 (August 19, 2020): id. 758, doi:10.1140/epjc/s10052-020-8197-y.
- Eleonora Di Valentino, Stefano Gariazzo, and Olga Mena, “Most Constraining Cosmological Neutrino Mass Bounds,” Physical Review D 104, no. 8 (October 15, 2021): id. 083504, doi:10.1103/PhysRevD.104.083504.
- P. Abratenko et al. (Micro
rBooNE Collaboration), “Search for an Excess of Electron Neutrino Interactions in MicroBooNE Using Multiple Final State Topologies,” (October 29, 2021), arXiv:2110.14054. - H. Almazán et al. (STEREO Collaboration), “Improved Sterile Neutrino Constraints from the STEREO Experiment with 179 Days of Reactor-On Data,” Physical Review D 102, no. 5 (September 1, 2020): id. 052002, doi:10.1103/PhysRevD.102.052002.
- Andrea Caputo, Marco Regis, and Marco Taoso, “Searching for Sterile Neutrino with X-Ray Intensity Mapping,” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2020, no. 03 (March 2, 2020): id. 002, doi:10.1088/1475-7516/2020/03/001.
- S. Aiello et al. (KM3NeT Collaboration), “Sensitivity to Light Sterile Neutrino Mixing Parameters with K
LM3NeT/ORCA,” Journal of High Energy Physics 2021, no. 10 (October 21, 2021): id. 180, doi:10.1007/JHEP10(2021)180. - Ross, “Candidates Compete for Top Billing.”
- Jin Wang, “Constraints of Axions from White Dwarf Cooling,” Modern Physics Letters A 7, no. 17 (June 7, 1992): 1497–1502, doi:10.1142/S0217732392001166.
- J. Isern et al., “Axions and the White Dwarf Luminosity Function,” Journal of Physics: Conference Series 172 (June 2009): id. 012005, doi:10.1088/1742-6596/171/1/012005; Georg G. Raffelt, Javier Redondo, and Nicolas Viaux Maira, “The meV Mass Frontier of Axion Physics,” Physical Review D 84, no. 10 (November 15, 2011): id. 103008, doi:10.1103/PhysRevD.84.103008.
- J. Isern et al., “Axions and the Luminosity Function of White Dwarfs: The Thin and Thick Discs, and the Halo,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 478, no. 2 (August 2018): 2569–2575, doi:10.1093/mnras/sty1162.
- Sebastian Hoof, Joerg Jaeckel, and Lennert J. Thormaehlen, “Quantifying Uncertainties in the Solar Axion Flux and Their Impact on Determining Axion Model Parameters,” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2021, no. 9 (September 6, 2021): id. 006, doi:10.1088/1475-7516/2021/09/006.
- Hugh Ross and John Rea, “Big Bang—The Bible Taught It First!” Reasons to Believe, July 1, 2000; Hugh Ross, “Does the Bible Teach Big Bang Cosmology?” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, August 26, 2019.
- Hugh Ross, The Creator and the Cosmos, 4th ed. (Covina, CA: RTB Press, 2018), 50–53, 72–76.