از خانواده لپتون‌های ذرات بنیادی سه نوع نوترینوی استاندارد (نوترینوی الکترونی، نوترینوی میونی و نوترینوی تائویی) وجود دارد. دلایلی نشان می‌دهد که ممکن است نوع چهارمی از نوترینوها موجود باشد؛ مدل استاندارد ذرات بنیادی این ذره را پیش‌بینی نمی‌کند.

نتایج بحث برانگیزی وجود نوع چهارمی از نوترینو‌ها را پیشنهاد می‌کند؛ از لفظ «فرضی یا خیالی^۱» برای توصیف ماهیت این نوع نوترینو‌ها استفاده می‌شود. در کوه گران ساسو (Gran Sasso) واقع در ایتالیا آزمایشی صحت پیش‌گویی این نتایج (مبنی بر وجود این نوع نوترینو‌ها) را بررسی می‌کند. این آزمایش به دنبال نوترینو‌های S توسط آشکارساز‌هایی است که در این کوه تعبیه شده‌اند. فیزیکدانان طراح این آزمایش می‌گویند که آن‌ها به کمک آشکارساز نوترینوی خورشیدی که هم‌اکنون در این کوه قرار دارد (به نام ‌‌Borexino) می‌توانند جستجویی کم هزینه برای نوترینوی S (این نوترینو هم اکنون تنها یک ذره فرضی محسوب می‌شود) انجام دهند.

نوترینو‌ها ذرات زیر اتمی بدون بار و همچنین تقریبا بدون جرم^۲ هستند. این ذرات تنها از طریق نیروی هسته‌ای ضعیف با ماده برهم‌کنش می‌کنند. اگر بخواهیم دقیق‌تر بگوییم این ذرات از شمار زیادی از مواد عبور می‌کنند بدون این که برای آن‌ها مزاحمتی ایجاد شود. برای مطالعه نوترینوها فیزیکدانان مجبور هستند تا آشکارساز‌های بزرگی بسازند؛ برای آشکارسازی نوترینوها شمار بسیار زیادی از هسته‌های اتمی خاصی (به عنوان یک هدف برخورد  و برهمکنش برای نوترینوها) در یک محیط قرار دارند اما تنها تعداد کمی از نوترینوها با این هسته‌ها برخوردی دارند (برهم‌کنش می‌کنند) تا آشکارسازی شوند.

اگر نوترینو‌های S وجود داشته باشند، آشکارسازی آن‌ها بسیار مشکل‌تر از آشکارسازی سه نوع نوترینوی دیگر است. چرا که احتمالا این نوع نوترینو تمایلی برای برهم‌کنش با ماده ندارد و تنها با سه نوع نوترینوی ذکر شده دیگر برهم‌کنش دارد. هر یک از سه نوع (طعم) نوترینو (نوترینو الکترون، نوترینو میونی، نوترینو تائویی)  می‌توانند به یکدیگر در طول انتشارشان تبدیل شوند؛ به عنوان مثال نوترینوی میونی می‌تواند به نوترینوی الکترونی تبدیل شود. پدیده تبدیل نوترینوها به یکدیگر «نوسان نوترینو» نامیده می‌شود. به طور مشابه نوترینوهای معمول (n_e, n_µ, n_Г) می‌توانند به نوترینوهای S تبدیل شوند و بالعکس^۳؛ اما احتمالا طول مسافت انتشار لازم برای نوسان نوترینوی S به نوترینوهای معمول کم‌تر از طول مسافت انتشار برای نوسان نوترینوهای معمول به یکدیگر است.

          آزمایشی جدید برای آشکارساز Borexino

نشانه‌هایی از وجود مدرک

وجود نوترینوهای S به چند دلیل پیشنهاد می‌شود. این دلایل بر خاسته از آزمایش‌هایی است که نوسان نوترینوهای استاندارد را بررسی می‌کنند. طبق محاسبات مربوط به این آزمایش‌ها شمار نوترینوهای مشاهده شده در آشکارسازها (آشکارسازهای مربوطه در نزدیکی رآکتورهای هسته‌ای قرار دارند) نسبت به مقدار قابل انتظار آن‌ها برای آشکارسازی پایین می‌باشد.

طبق گفته مارکو پالاویسینی (Marco Pallavicini) از دانشگاه Genona (ایتالیا) اگر دلایل مبنی بر پایین بودن شمار نوترینوهای آشکارسازی شده درست باشد آنگاه نتیجه‌ای بزرگ بدست خواهد آمد. پالاویسینی به این موضوع اشاره می‌کند که نوترینوهای s اولین ذرات بنیادی هستند که در صورت کشف خارج از مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی قرار خواهند گرفت. او اضافه می‌کند این نوترینوها همچنین ممکن است نقش مهمی در تحول جهان (عالم) ایفا کرده باشند. به هر حال مثل خیلی از فیزیکدانان او در مورد وجود نوترینوی s تردید دارد.

پالاویسینی رهبر گروهی بین‌المللی است که وظیفه جستجوی نوترینوهای S را به کمک آشکارساز Borexino (در آزمایشگاه ملی Gran Sasso؛ ایتالیا) بر عهده خواهند داشت؛ وظیفه اصلی این آشکارساز در واقع آشکارسازی نوترینوهای خورشیدی است. این آشکارساز نور گسیل شده توسط برهم‌کنش نوترینوها با الکترون‌های درون یک کره ۳۰۰ تنی شامل هیدروکربن (این کره جزیی از آشکارساز است شکل دوم راببینید) را ثبت می‌کند؛ ساختمان Borexino شامل آرایه‌ای از لوله‌های تقویت کننده تصویر ((photomultiplier می‌باشد. با همه این‌ها آزمایش جدیدی تحت عنوان «نوسان‌های مسافت کوتاه نوترینو به کمک آشکارساز ^۴Borexino» (SOX) وجود دارد به طوری که نوترینوها را از یک منبع پرتوزای قوی (این منابع در فاصله چند متری آشکارساز هستند) خواهند گرفت.

                   نمایی از آشکارساز Borexino

تغییر شبه-سینوسی

SOX مکان دقیق برهم‌کنش هر یک از نوترینوها (تولید شده توسط منبع پرتوزا) با هیدروکربن را بوسیله ثبت زمان دقیقی که گسیل نور مربوطه به چندین لوله photomultiplier می‌رسد، تعیین می‌کند. اگر نوترینوهای S وجود داشته باشند آنگاه تعداد برهم‌کنش‌ها به عنوان تابعی از فاصله از منبع (پرتوزا) تغییر شبه-سینوسی کوچک اما مشخص خواهد داشت (با طول موجی در مقیاس متر).  

 SOX از دو منبع پرتوزا استفاده می‌کند. یکی کرومیوم-۵۱ است که نوترینوهای الکترونی گسیل می‌کند؛ این ماده در یک ظرف درست در پایین آشکارساز قرار خواهد گرفت. دیگری سریم-۱۴۴ است که پادنوترینوهای الکترونی گسیل می‌کند؛ این ماده در درون قسمت محافظ آبی Borexino جای داده خواهد شد. محققان ترجیح می‌دهند که از سریم استفاده کنند چرا که به آن‌ها این اجازه را می‌دهد تا در محدوده وسیع‌تری از جرم‌ها و زوایای آمیختگی^۵ (پارامتری که قدرت نوسان را تعیین می‌کند) به دنبال نوترینوهای S باشند. این در حالی است که آن‌ها احتمالا از کرمیوم استفاده خواهند کرد، چون در دو آزمایش قبل با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است. پالاویسینی می‌گوید که احتمالا این آزمایش در اواخر سال ۲۰۱۵ شروع به جمع‌ آوری اطلاعات نماید و در سال ۲۰۱۶ اولین نتایج را خواهیم دید.

نوسان‌های ممکن

محققان نشان داده‌اند که حتی استفاده از کرومیم-۵۱ SOX جهت نظم بخشیدن و برطرف کردن ناهنجاری‌های درون و بیرون رآکتور به اندازه کافی حساس خواهد بود. به هر حال اگر که نوترینوهای S خیلی سبک باشند و یا با نوترینوهای معمول (سه نوع نوترینو مورد نظر) آمیختگی خیلی ضعیفی داشته باشند آنگاه این آزمایش قادر به آشکارسازی و مشاهده نوترینوهای S نخواهد بود. پالاویسینی به این مسئله واقف است که دیگر فیزیکدانان در مورد این مسئله تردید دارند که شمارش کم‌‌‌‌‌‌‌ نوترینوهای مشاهده شده (در آشکارسازها) نسبت به مقدار قابل انتظار توسط گروهش به خاطر وجود نوترینوهای S بوده‌ است و یا اینکه ممکن است به خاطر کالیبراسیون ضعیف یا بازده کم آشکارسازها بوده باشد. به هر حال او می‌گوید که اگر داده‌ها علائمی از نوسان‌های مربوطه را نشان دهند سپس او هر کس را با هر بیان متفاوتی درباره نوترینوهای S به چالش خواهد کشید.

پیتر وگل (Petr Vogel) از مؤسسه تکنولوژی کالیفرنیا از این آزمایش به عنوان «چالش‌ بر انگیز اما شدنی» سخن به میان می‌آورد. او اعتقاد دارد که اگر محققان بتوانند با استفاده از کرمیوم و سریوم داده‌های مطلوبی جمع‌آوری کنند آنگاه این آزمایش یک سند محکم خواهد بود مبنی بر اینکه آیا نوترینوهای S وجود دارند یا خیر.

۱- sterile- برای احترام به نویسندگان مقاله نوترینوی مربوطه نوترینوی s نامیده شد.

۲- جرم نوترینوها بسیار کم است. تا سال‌ها این ذرات بدون جرم فرض می‌شدند. با این حال امروزه جرم دقیقی از آن‌ها موجود نیست و روی جرم آن‌ها حد بالا می‌گذارند (مثلا جرم نوترینوی الکترون با مقداری خطا تقریبا کوچکتر از ۳ الکترون-ولت در نظر گرفته می‌شود).

۳- تنها نوترینوهای با جرم بیشتر به نوترینوهای با جرم کوچک‌تر نوسان می‌کنند (تبدیل می‌شوند)؛ نوترینوها به ترتیب از جرم بزرگ به جرم کوچک عبارت اند از نوترینوی تائویی، نوترینوی میونی، نوترینوی الکترونی. ما از جرم نوترینو S آگاهی نداریم پس مشخص نیست چه طور نوسانی خواهد داشت.

۴- Borexino آشکارسازی برای آشکارسازی نوترینوهای خورشیدی است. اما به خاطر قابلیت‌های منحصر به فرد آن هم‌اکنون برای آشکارسازی نوترینوهای ناشی از مواد پرتوزا در این آزمایش مهم جدید مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

۵- طبق نظریه به هر یک از طعم (نوع) و جرم نوترینوها یک کت حالت نسبت می‌دهند. طبق فضای هیلبرت هر کدام از سه کت به طور جداگانه یک فضای سه بعدی می‌سازند به طوری که این سه کت راست هنجار هستند؛ پس در مجموع پایه راست هنجار سه بعدی خواهیم داشت. چون مجموعه پایه کت‌های حالت جرم کامل اند هر کت حالت طعم نوترینو را برحسب کت‌های حالت جرم می‌توانند بسط ‌دهند. در این مدل ریاضی زاویه بین محورهای مربوط به کت‌ها را زاویه آمیختگی گویند. 

:منبع

http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jun/21/sterile-neutrino-hunt-gathers-pace-at-gran-sasso