اندازه‌گیری جرم نوترینو؛ کشفی که درک ما از فیزیک را دگرگون می‌کند

فرارو- فیزیکدانان در آلمان دقیق‌ترین اندازه‌گیری جرم ذره بنیادی «نوترینو» را انجام داده‌اند. این کشف می‌تواند به درک بهتر قوانین طبیعت، حتی فراتر از بهترین نظریه‌های کنونی کمک کند. بر اساس «مدل استاندارد فیزیک ذرات» – بهترین نظریه موجود برای توصیف ذرات و نیروهای بنیادی – نوترینوها باید بدون جرم باشند، اما آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این ذرات جرم بسیار اندکی دارند.

به گزارش فرارو به نقل از کاسموس، سنجش جرم نوتریون می‌تواند به توضیح محدودیت‌های مدل استاندارد کمک کند و بینش تازه‌ای به حوزه‌های جدید در علم فیزیک و فراتر از آن فراهم کند.

نوترینوها فراوان‌ترین ذرات جهان هستند، اما متوجه آنها نمی‌شوید. در واقع، در هر ثانیه حدود ۱۰۰ میلیارد نوترینو از بدن شما عبور می‌کند. این ذرات بدون هیچ واکنشی با دیگر ذرات، مستقیما از میان ما می‌گذرند، زیرا بار الکتریکی ندارند، اندازه‌شان فوق‌العاده کوچک است و با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند. همین ویژگی‌ها مطالعه آنها را بسیار دشوار می‌سازد.

نوترینوها حداقل یک میلیون بار سبک‌تر از الکترون‌ها

گروه پژوهشی «آزمایش نوترینوی تریتیوم کارلسروهه» (KATRIN) در مقاله‌ای که در مجله «ساینس» منتشر شده، جزئیات اندازه‌گیری جرم نوترینو را شرح داده‌اند. بر اساس این پژوهش، جرم نوترینو حداکثر «۰.۴۵ الکترون‌ولت (eV)» است، یعنی بیش از یک میلیون بار کمتر از جرم الکترون (حدود ۵۰۰ هزار eV). دقت این اندازه‌گیری در سطح اطمینان ۹۰٪ قرار دارد.

فیزیک‌دانان از واحد الکترون ولت برای اندازه‌گیری جرم ذرات استفاده می‌کنند. هر الکترون ولت ۶ میلیون میلیارد میلیارد میلیارد بار کمتر از یک گرم است.

دانشمندان KATRIN جرم نوترینو را با تحلیل واپاشی «تریتیوم» — یک ایزوتوپ نادر و رادیواکتیو هیدروژن با یک پروتون و دو نوترون — اندازه‌گیری کردند. در این فرآیند، یک نوترون به پروتون تبدیل می‌شود و همزمان یک الکترون و یک «الکترون ضدنوترینو» (پادذره نوترینو) گسیل می‌کند. با بررسی توزیع انرژی بین الکترون و الکترون ضدنوترینو، جرم نوترینو محاسبه شد.

پنجره‌ای به فیزیک نوین

این تیم در بازه ۲۵۹ روزه بین سال‌های ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۱، انرژی حدود «۳۶ میلیون الکترون» را ثبت کردند. حجم داده‌های KATRIN شش برابر بزرگ‌تر از آزمایش‌های قبلی است. «لوردانا گاستالدو»، پژوهشگر مؤسسه فیزیک کیرشهوف آلمان (که در این مطالعه مشارکت نداشت)، در تحلیلی در «ساینس» نوشت: «پروژه اندازه‌گیری جرم نوترینو در KATRIN در سال ۲۰۲۵ پس از ۱۰۰۰ روز جمع‌آوری داده به پایان می‌رسد. تحلیل کامل این داده‌ها می‌تواند جرم مؤثر نوترینوی الکترون را به حدود ۰.۳ eV با دقت ۹۰٪ برساند.»

تعیین دقیق جرم نوترینو نه‌تنها محدودیت‌های مدل استاندارد را نشان می‌دهد، بلکه می‌تواند پنجره‌ای به سوی فیزیک نوین – از جمله ماده تاریک و ناهنجاری‌های کیهانی – باز کند. این ذرات رازآلود ممکن است کلیدی برای درک بهتر جهان باشند.