ذرات داغ؛ آشکارساز سرد. آزمایشگاه آیس‌کیوب (IceCube) مرکز عملیاتی این آزمایش- در بالای حسگرهای مدفون در یخ قرار دارد. در این تصویرسازی هنری یک منبع پرانرژی در دوردست بالای آن می‌درخشد.

نوترینوهایی که از منابع اخترفیزیکی دوردست می‌آیند می‌توانند بدون آن که در طول مسیر منحرف یا جذب شوند، به ما برسند. جایزه نوبل فیزیک امسال به پاس اخترشناسی نوترینویی و تلاش‌های پیگیرانه فرانسیس هالزن برای به‌ثمر رساندن آن اعطا شده است. هالزن، فیزیک‌دان ذرات از دانشگاه ویسکانسین – مدیسون، نیروی اصلی پیش‌برنده رصدخانه نوترینوی آیس‌کیوب بود- آشکارسازی با اندازه کیلومترمکعب که از سال 2010 در یخ‌های قطب جنوب فعالیت می‌کند. اندکی پس از ساخت این رصدخانه، هالزن و همکارانش اولین شواهد وجود نوترینوهای پرانرژی با منشاء کیهانی را گزارش کردند [1,2]. ممکن است مطالعه بیشتر این نوترینوهای اخترفیزیکی اطلاعاتی درباره رخدادهای پرقدرتی فراهم کند که پرتوهای کیهانی پرانرژی تولید می‌کنند.

نوترینوهای خورشیدی و جوی (که پیش از این موضوع جوایز نوبل بودند) از منابع نزدیک می‌آیند و انرژی آنها در محدوده متوسط MeV–GeV ( eV10⁹ - 10⁶) است. اما انتظار می‌رود نوترینوهای پرانرژی در محدوده TeV–PeV ( eV10¹⁵ - 10¹²) از منابع دوردستی همچون جت‌های سیاه‌چاله و بقایای ابرنواختری گسیل شوند. هالزن مأموریت خود را آشکارسازی این نوترینوها قرار داد.

در کنفرانس خبری جایزه نوبل در سه‌شنبه گذشته، از هالزن درباره دشواری‌های ساخت آیس‌کیوب پرسیده شد. او اذعان کرد که «خوش‌شانس» بوده، چرا که در ابتدا بسیاری از مردم – از جمله خودِ هالزن – درباره موفقیت آن تردید داشتند.

محاسبات اولیه نشان داد که برای رصد نوترینوهای پرانرژی به آشکارسازی با اندازه کیلومتری نیاز است، نوترینوهایی که فرض می‌شود طی همان فرایندهای تولیدکننده پرتوهای کیهانی تولید می‌شوند. با توجه به شار پرتوهای کیهانی و احتمال برخوررد نوترینو به هسته می‌توان انتظار داشت که در یک آشکارساز یک گیگاتُنی سالانه 100-10 نوترینوی پرانرژی ثبت شود. حجم چنین آشکارسازی تقریباً معادل یک کیلومترمکعب است [3].

پیام‌رسان مستقیم. نوترینو (ν) برخلاف پروتون (p) و فوتون (γ)، بدون جذب و پراکندگی از میان مواد و میدان‌های معناطیسی اطراف منبع عبور می‌کنند.

فیزیک‌دان‌ها در ابتدا توده‌های بزرگ آب را به‌صورت آشکارساز نوترینو در نظر گرفتند. نوترینو با مولکول آب برهمکنش می‌کند و ذرات ثانویه پرسرعتی تولید می‌کند که نور گسیل می‌کنند و حسگرهای زیر آب می‌توانستند آن را ثبت کنند. این روش در سواحل هاوایی آزمایش شد، اما مشکلات فنی مانند نوفه‌های ناشی از موجودات دریایی نورگسیل باعث شد که پروژه در سال 1995 کنار گذاشته شود.

هالزن در اواخر دهه 1980 متوجه شد که یخ می‌تواند محیط بهتری از آب باشد،‌ زیرا نوفه در اعماق تاریک و یخ‌زده کمتر است. البته دشواری اصلی کار کردن در شرایط یخبندان دائمی بود. هالزن با بهره‌گیری از زیرساخت‌های قطب جنوب به توسعه طرح مقدماتی برای آیس‌کیوب با نام آرایه آشکارساز میون و نوترینوی جنوبگان (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA)) کمک کرد. این آزمایش نوترینوهای جوی کم‌انرژی‌تر را آشکارسازی کرد و در همان حال اطلاعات فنی مهمی، مانند نیاز به استقرار آشکارساز در اعماق بیشتر یخ به منظور جلوگیری از پراکندگی نور بر اثر حباب‌های موجود در یخ، را در اختیار گذاشت.

هالزن در سال 2002 بودجه آیس‌کیوب را از بنیاد ملی علوم آمریکا دریافت کرد و این مرکز بین سال‌های 2004 تا 2010 ساخته شد. طرح آیس‌کیوب، با 86 «رشته» عمودی از تجهیزات آویزان در یخ، به یک عملیات عظیم ماهیگیری در یخ شباهت دارد. هر رشته شامل 60 حس‌گر نوری است که در عمق 1.4 تا 2.4 کیلومتری قرار گرفته‌ است. وقتی یک نوترینو با هسته‌ای در یخ برهمکنش می‌کند، ذرات جدیدی تولید می‌شود که با عبور از میان یخ نور تولید می‌کنند. حسگرهای آیس‌کیوب این نور را آشکارسازی می‌کنند و این داده‌ها به منظور تعیین جهت و انرژی نوترینوهای رسیده، تحلیل می‌شود.

یکی از اولین نتایج مهم، رصد دو رخداد با نام‌های برت و ارنی (Bert and Ernie)، برگرفته از نام شخصیت‌های مجموعه تلوزیونی خیابان سسمی (Sesame Street)، بود که با انتظارات مربوط به نوترینوهای پرانرژی مطابقت داشت [1]. گروه آیس‌کیوب در گزارش سال 2013 خود انرژی هر یک از این نوترینوها را PeV 1 تخمین زد، هر چند عدم‌قطعیت در اندازه‌گیری‌ها تردیدهایی به جا گذاشت (ببینید: Energetic Neutrinos on Ice)

یک سال بعد این تردیدها تا حد زیادی برطرف شد، زمانی که گروه پژوهشی 37 رویداد نوترینوی پرانرژی در محدوده TeV30 تا PeV2 ثبت کرد [2]. انرژ‌ی‌ها و جهت ورود نوترینوها تأیید می‌کرد که منشاء آنها فراتر از منظومه شمسی است (ببینید: The Beginning of Extra-Galactic Neutrino Astronomy). با این‌حال این که این نوترینوهای پرانرژی دقیقاً از کجا می‌آیند همچنان معمایی حل‌نشده است. پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهد که منابع احتمالی آنها هم درون و هم بیرون کهکشان قرار دارد (ببینید: Milky Way Viewed through Neutrinos). شاید پژوهشگران بتوانند با گردآوری داده‌های بیشتر در اخترشناسی نوترینویی از سازوکارهایی رمزگشایی کنند که ذرات را تا انرژی‌های بسیار بالا شتاب می‌دهند.

ارین اوسالیوان (Erin O’Sullivan)، سخنگوی آیس‌کیوب از دانشگاه اوپسالا در سوئد، می‌گوید: «این جایزه نوبل فیزیک به پاس دهه‌ها ژرف‌بینی و پشتکار فرانسیس هالزن در عملی کردن اخترشناسی نوترینوهای پرانرژی اختصاص یافته است. آنچه که زمانی هدفی به‌غایت بلندپروازانه به نظر می‌رسید، اکنون به روشی جدید برای مشاهده جهان بدل شده است.»

آیس‌کیوب با دیگر پروژه‌های اخترشناسی نوترینو، از جمله Baikal-GVD در سیبری و رصدخانه KM3NeT در دریای مدیترانه، تکمیل می‌شود. پل دی‌ یونگ، سخنگوی رصدخانه KM3NeT از مؤسسه ملی فیزیک زیراتمی هلند (Nikhef) و دانشگاه آمستردام می‌گوید: «بدون تردید فرانسیس هالزن از پیش‌گامان این حوزه است. به باور دی یونگ، هالزن ایده درخشانی در استفاده از یخ‌های قطب به‌عنوان آشکارساز نوترینو داشت، اما عزم راسخی برای تحقق آن نیز داشت. او می‌گوید: «بدون تردید هالزن نیروی اصلی پیش‌برنده این پروژه بود و با ژرف‌بینی خود دیگران را به همکاری در آن مشتاق کرد.»

[1] M. G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration), “First observation of PeV-energy neutrinos with IceCube,” Phys. Rev. Lett. 111 (2013).

[2] M. G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration), “Observation of high-energy astrophysical neutrinos in three years of IceCube data,” Phys. Rev. Lett. 113 (2014).

[3] F. Halzen, “The highest energy neutrinos: First evidence for cosmic origin,” Astron. Nachr. 335, 507 (2014).

منبع:

Nobel Prize: Neutrinos from Far, Far Away (Updated)