پیشرفت های نوترینو: شواهد بیشتر برای ایجاد و طراحی کیهانی

گاهی اوقات کوچکترین اجزاء کیهان بزرگترین رازها را فاش می کنند. حدودا یک قرن پیش، دانشمندان وجود و قدرت توضیحی نوترینوها را پیش‌بینی کرده‌اند ، ذره‌ای که وزن آن آنقدر کم است که هیچ‌کس قادر به اندازه‌گیری جرم آن نبوده است و آگاهی از جرم و رفتار آن می تواند به توضیح جنبه های خاصی از کیهان شناسی مهبانگ کمک کند. دانشمندان ممکن است در آستانه چنین کشفی با اندازه گیری موفقیت آمیز محدوده کوچکی از جرم این ذرات باشند.

فیزیکدان مشهور اِنریکو فِرمی واژه نوترینو را ابداع کرد که در ایتالیایی به معنای “کوچک خنثی” است تا آن را از ذره پرجرم تر یعنی نوترون متمایز کند. نوترینوها ذرات بنیادی هستند که فقط با گرانش و نیروی هسته ای ضعیف برهم کنش دارند. آنها از نظر الکتریکی خنثی هستند و دارای جرم استراحتی هستند که به قدری کوچک است که تا چند دهه پیش تصور می شد که جرم آن صفر باشد. از آنجایی که نیروی هسته ای ضعیف برد بسیار کوتاهی دارد و برهمکنش گرانشی آن بسیار ضعیف است، نوترینوها معمولاً میتوانند در این شرایط بدون مانع و به شکل نامحسوسی از مواد معمولی عبور کنند.

نوترینوها فراوان ترین ذرات عظیم شناخته شده در جهان هستند. اکثر نوترینوهای ورودی به سطح زمین از خورشید می آیند. آنها با سرعت 65 میلیارد نوترینو بر ثانیه در هر سانتی متر مربع به سطح زمین می رسند. فعل و انفعالات ضعیف نیروی هسته ای نوترینوها را در سه «طعم» یا نوع لپتونیک ایجاد می کنند: نوترینوهای الکترونی، نوترینوهای میون و نوترینوهای تائو.

توده های نوترینو
از آنجایی که بیش از یک طعم یا نوع نوترینو وجود دارد ونوترینوها می توانند از نوعی به نوع دیگر در نوسان باشند، بنابراین نوترینوها احتمالاً نمی توانند ذرات بدون جرم باشند. این شناخت، پیامدهای عمیقی برای هر دو مدل خلق کیهانی و ایجاد ذرات دارد. در نتیجه، هم اخترشناسان و هم فیزیکدانان ذرات تلاشی را برای اندازه گیری جرم سه نوع مختلف نوترینو و تعیین اینکه آیا احتمال وجود نوع چهارم نوترینو وجود دارد یا خیر، آغاز کرده اند.

اندازه گیری جرم های انواع مختلف نوترینو از نظر فناوری بسیار چالش برانگیز است. با این حال، اندازه‌گیری جرم کل همه انواع نوترینوها (الکترونی + میون + تائو + جرم نوع چهارم احتمالی نوترینو) در دسترس محققان است. برای آزمایش مدل‌های کیهانی و ایجاد ذرات، ستاره‌شناسان و فیزیکدانان ذرات فقط کافیست جرم کل همه انواع نوترینوها را بدانند. اگرچه اندازه گیری دقیق این جرم ها همه پژوهشگران را به خود مشغول کرده است، آنها توانسته اند حد پایین و بالایی را برای این جرم ها تعیین کنند. این تلاش هیجان انگیز در چند سال گذشته و به خصوص چند هفته گذشته رخ داده است. پیشرفت های علمی، حد بالایی را به اندازه کافی به حد پایین نزدیک کرده است تا مشخص کنند کدام یک از بسیاری از مدل‌های ایجاد کیهان و ذرات صحیح هستند.

در ادامه جزئیات فنی را توضیح خواهم داد تا بتوانید ببینید که چگونه این اندازه گیری های قابل توجه به وجود آمده است. با توجه به فنی بودن مباحث ، چند بخش بعدی را مرور کنید و آنچه را که می توانید از مطالب جمع آوری کنید. سپس، آن را دوباره در «پیام‌ها برای مدل‌های ایجاد ذرات استاندارد و کیهانی» انتخاب کنید.

حداقل جرم ذرات نوترینو
نوسانات نوترینو که در آزمایش‌های متعدد مشاهده شده‌اند،¹ دو حداقل ممکن را برای جرم کل همه انواع نوترینوها ایجاد می‌کنند. در موردی که یکی از سه نوع نوترینو دارای جرم است و دو نوع دیگر فاقد جرم هستند (معروف به سلسله مراتب عادی)، حداقل جرم کل سه نوترینو = 0.00044 ± 0.05885 الکترون ولت (eV).² انواع نوترینو دارای جرم هستند و نوع سوم بدون جرم است (که به عنوان سلسله مراتب معکوس شناخته میشود) ، سپس حداقل جرم کل سه نوترینو = 0.10000 ± 0.00068 (eV).³ برای مقایسه، جرم بقیه یک الکترون = 511000 (eV).

فیزیک ذرات، اندازه گیری حداکثر جرم ذرات نوترینو
اندازه‌گیری جرمی که به بهترین شکل مدل‌های کیهانی و ایجاد ذرات را محدود می‌کند، حداکثر جرم کل ممکن از سه نوع نوترینو است. از این رو، هم فیزیکدانان ذرات و هم اخترشناسان سخت کوشیده اند تا حد بالایی برای این جرم کل ایجاد کنند که ابزار کارشان به آنها اجازه می دهد.

تیمی از فیزیکدانان ذرات معروف به موسسه ترویتسک (Troitsk) با استفاده از آزمایش فروپاشی تریتیوم بتا، تعیین کردند که جرم کل سه نوع نوترینو نمی تواند بیشتر از 2.5 (eV) باشد.⁴ آزمایش مشابهی توسط موسسه ماینز، حد جرم بالایی 2.2 (eV) را ایجاد کرد.⁵

در سال 2019، آزمایش نوترینو (Tritium Karlsruhe (KATRIN طیف الکترون‌های واپاشی بتا را از منبع تریتیوم مولکولی گازی با خلوص بالا تجزیه و تحلیل کرد. این تجزیه و تحلیل یک حد جرم بالایی برای سه نوع نوترینو به اندازه 1.1 (eV) به همراه داشت. ⁶ در اجرای آزمایشات آینده، تیم KATRIN به حساسیت اندازه گیری تا 0.2 (eV) دست خواهد یافت.⁷

اندازه گیری های نجومی حداکثر جرم ذرات نوترینو
مجموعه داده‌های کیهان‌شناسی اندازه‌گیری مستقلی از حد بالای جرم سه نوع نوترینو ارائه می‌کنند، اندازه‌گیری‌هایی که ثابت می‌کنند خواص انرژی تاریک بر جرم کل سه نوع نوترینو تأثیر می گذارند. این جرم همچنین ماهیت جریان آزاد نوترینوها را تعیین می‌کند، که بر ساختار مقیاس بزرگ کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی در زمان‌های مختلف تاریخ کیهان تأثیر می‌گذارد.

بر اساس نقشه پلانک 2018 از تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (تابش باقی‌مانده از رویداد پیدایش کیهان)، تیمی متشکل از سه فیزیکدان نظری، یک حد بالایی را بر روی جرم کل سه نوع نوترینو برای سلسله‌مراتب طبیعی برابر با 0.156 (eV) و برای سلسله مراتب معکوس مقدار 0.185 (eV) تعیین کردند.⁸ موسسه پلانک با همکاری 181 اختر شناس و فیزیکدان، حد بالایی 0.12(eV) را برای هر دو سلسله مراتب عادی و معکوس ارائه کرده است.⁹ تیمی متشکل از چهار ستاره شناس با تجزیه و تحلیل داده هاینوسانات صوتی باریون عرضی، حد بالایی 0.11 (eV) را تعیین کردند.¹⁰ بر اساسبررسی طیف‌سنجی نوسانی باریون (eBOSS) Sloan Digital Sky Survey—IV، یک تیم متشکل از 98 اختر شناس، حد بالایی 0.099(eV) را تعیین کردند که این مقدار با استناد به داده‌های عدسی گرانشی در کهکشان‌های دور به 0.114 (eV) تنزل پیدا کرد.¹¹

چند هفته پیش، سه فیزیکدان محدودترین حد بالایی تا به امروز را در مورد مجموع جرم سه نوع نوترینو منتشر کردند. ¹² حد بالایی بهبود یافته آنها به لطف افزودن نتیجه تجزیه و تحلیل آخرین بررسی‌های اِعوِجاج (انحنا) فضایی انتقال به سرخ و کهکشان‌های قرمز درخشان به دست آمد. حد جرم بالایی آنها 0.087 (eV) در سطح اطمینان 95٪ اعلام شده ، به این معنی که با احتمال 95٪ می توانیم مطمئن باشیم که مجموع جرم سه نوع نوترینو باید کمتر از 0.087 (eV) باشد.

مفاهیمی برای مدل‌های استاندارد پیدایش کیهان و ذرات
اخترشناسان اکنون یک حد جرم اندازه‌گیری شده در سطح اطمینان ٪95 برای مجموع سه نوع نوترینو که 0.013 (eV) کمتر از مقدار مورد نیاز برای یک سلسله مراتب معکوس است در دست دارند. این اندازه گیری مدل سلسله مراتبی معکوس را نقض نمی کند، اما آن را بسیار بعید می کند.

محدودیت‌های جدید در حد جرم برای مجموع سه نوع نوترینو نشان‌دهنده مقدار کمی کوچک‌تر برای مقدار ماده تاریک در جهان است. آن‌ها همچنین مقدار کمی بزرگ‌تر را برای میانگین نرخ انبساط کیهانی، با نام ثابت هابل، نشان می‌دهند.

اینکه مجموع جرم سه نوع نوترینو بین 0.05841 و 0.087 (eV) قرار دارد، نشان‌دهنده نرخ رشد ساختار فضایی جرم جهان است که با نقشه‌های دما و قطبش تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی مطابقت دارد. همچنین با نسبیت عام که دینامیک کهکشان ها و خوشه های کهکشانی را در سراسر جهان توضیح می دهد، سازگار است. این سازگاری شواهد بیشتری را برای مدل خلق کیهانی ΛCDM (ماده تاریک سرد لامبدا) فراهم می‌کند. یعنی برای یک مدل ایجاد مهبانگ که در آن غالب ترین جزء جهان، انرژی تاریک و دومین جزء بزرگ جهان، ماده تاریک سرد است. همانطور که در دو مقاله پیشین توضیح دادم،¹³ بیش از 2500 سال قبل از اینکه اخترشناسان حتی اشاره ای به این داشته باشند که جهان از یک رویداد ایجاد انفجار بزرگ پدید آمده است، کتاب مقدس کیهان را با عباراتی توصیف می کند که با چهار ویژگی اساسی کیهان شناسی انفجار بزرگ مطابقت دارد.

مشاهدات کیهان‌شناسی بهترین محدودیت‌ها را در مجموع جرم سه نوع نوترینو ایجاد کردند، همچنین شواهد بیشتری برای تنظیم دقیق ثابت یا ثابت‌های حاکم بر انرژی تاریک ایجاد کردند. همانطور که یک تیم از ستاره شناسان در مقاله خود که همین چند ماه پیش منتشر شد نوشت: “این تنظیم دقیق نشان دهنده یک مشکل نظری بدون هیچ تفکیک توافق شده ای است و ممکن است تنها از طریق ملاحظات فیزیک اساسی قابل حل نباشد”. مشاهدات ارائه شده در اینجا این دشواری را به طور قابل توجهی تشدید کرده است.¹⁴ مشکل محاسبه چنین تنظیم دقیقی از ثابتهای حاکم بر انرژی تاریک که آنها در مورد آن می نویسند، تنها برای مدل های غیرالهی جهان یک مشکل حل نشدنی است. برای خدای کتاب مقدس، تنظیم دقیق یک پارامتر کیهانی با دقت 1 واحد از 10 به توان ¹²² مشکلی نداشته تا حیات پیشرفته در جهان ممکن شود.

*در مقاله Today’s New Reason to Believeهفته آینده، آخرین اندازه‌گیری‌هایی را که وجود احتمالی نوع چهارم نوترینو را محدود می‌کنند و پیامدهای فلسفی این اندازه‌گیری‌ها را شرح خواهم داد.

پینوشت

1. K. Abe et al. (T2K Collaboration), “Observation of Electron Neutrino Appearance in a Muon Neutrino Beam,” Physical Review Letters 112, no. 6 (February 14, 2014): id. 061802, doi:10.1103/PhysRevLett.112.061802; J. K. Ahn et al. (RENO Collaboration), “Observation of Reactor Electron Antineutrinos Disappearance in the RENO Experiment,” Physical Review Letters 108, no. 19 (May 11, 2012): id. 191802, doi:10.1103/PhysRevLett.108.191802.
2. Shouvik Roy Choudhury and Steen Hannestad, “Updated Results on Neutrino Mass and Mass Hierarchy from Cosmology with Planck 2018 Likelihoods,” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2020, no. 7 (July 2020): id. 037, doi:10.1088/1475-7516/2020/07/037I; Ivan Esteban et al., “Global Analysis of Three-Flavour Neutrino Oscillations: Synergies and Tensions in the Determination of θ₂₃, δ_CP, and the Mass Ordering,” Journal of High Energy Physics 2019 (January 2019): id. 106, doi:10.1007/JHEP01(2019)106.
3. Choudhury and Hannestad, “Updated Results on Neutrino Mass”; Esteban et al., “Global Analysis.”
4. V. N. Aseev et al. (Troitsk Collaboration), “Upper Limit on Electron Antineutrino Mass from Troitsk Experiment,” Physical Review D 84 (December 11, 2011): id. 112003, doi:10.1103/PhysRevD.84.112003.
5. Christine Kraus et al., “Final Results from Phase II of the Mainz Neutrino Mass Search in Tritium β Decay,” European Physical Journal C—Particles and Fields 40 (April 2005): 447–468, doi:10.1140/epjc/s2205-02139-7.
6. M. Aker et al., “Improved Upper Limit on the Neutrino Mass from a Direct Kinematic Method by KATRIN,” Physical Review Letters 123, no. 22 (November 25, 2019): id. 221802, doi:10.1103/PhysRevLett.123.22180.
7. Karlsruhe Institute of Technology, KATRIN: Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment, accessed November 1, 2021, https://www.katrin.kit.edu.
8. Ming Zhang, Jing-Fei Zhang, and Xin Zhang, “Impacts of Dark Energy on Constraining Neutrino Mass after Planck 2018,” Communications in Theoretical Physics 72, no. 12 (December 1, 2020): id. 125402, doi:10.1088/1572-9494/abbb84.
9. 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.
10. Rafael C. Nunes et al., “Cosmological Parameter Analyses Using Transversal BAO Data,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 497, no. 2 (September 2020): 2133–2141, doi:10.1093/mnras/staa2036.
11. Alam Shadab et al., “Completed SDSS-IV Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Cosmological Implications from Two Decades of Spectroscopic Surveys at the Apache Point Observatory,” Physical Review D 103, no. 8 (April 28, 2021): id. 083533, doi:10.1103/PhysRevD.103.083533.
12. Eleonora Di Valentino, Stefano Gariazzo, and Olga Mena, “Most Constraining Cosmological Neutrino Mass Bounds,” Physical Review D 104, no. 8 (October 2021): id. 083504, doi:10.1103/PhysRevD.104.083504.
13. Hugh Ross and John Rea, “Big Bang—The Bible Taught It First!,” Facts For Faith (Quarter 3, 2000), 26–32; Hugh Ross, “Does the Bible Teach Big Bang Cosmology,” Today’s New Reason to Believe (blog) Reasons to Believe, August 26, 2019.
14. Shadab et al., “Completed SDSS-IV Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey,” 28.