۱۲ ژوئیه ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: روپندرا براهامبات -ذرات شبح تحت فشار: KATRIN اسرار نوترینوها را فاش می‌کند-نمای داخلی طیف‌سنج KATRIN.-مایکل زاکر
آنها از دیوارها می‌گذرند، از سیارات عبور می‌کنند و به ندرت اثری از خود به جا می‌گذارند. آیا می‌توانید حدس بزنید که “آنها” چه هستند؟ ما در مورد نوترینوها صحبت می‌کنیم، ذرات شبح‌مانندی که در واکنش‌های هسته‌ای و انفجار ستارگان متولد می‌شوند و به نظر می‌رسد که از قوانین جهان سرپیچی می‌کنند.
برای دهه‌ها، فیزیکدانان معتقد بودند که آنها اصلاً جرمی ندارند. سپس، به طرز شگفت‌آوری، برخی مشاهدات نشان دادند که نوترینوها جرم دارند، اما این با قوانین شناخته‌شده فیزیک مطابقت ندارد و دانشمندان را به تفکر فراتر از مدل استاندارد (BSM) سوق می‌دهد.
اکنون، محققانی که در آزمایش KATRIN شرکت داشتند، به چیزی برخورده‌اند که مربوط به نوترینوها است و نمی‌توان آن را با فیزیک شناخته‌شده توضیح داد. نتایج آخرین مطالعه آنها محدودیت‌های قدرتمندی را بر برهمکنش‌های نوترینوی ناشناخته – رویدادهای نادری که در طی آنها نوترینوها با ذرات دیگر برخورد می‌کنند یا بر آنها تأثیر می‌گذارند – اعمال می‌کند.
کارولین فنگلر، یکی از محققانی که در آزمایش KATRIN شرکت داشت، گفت: «ما تنها با بخش کوچکی (5٪) از مجموعه داده‌های نهایی KATRIN، در مقایسه با محدودیت‌های کلی سایر آزمایش‌های کم‌انرژی، توانستیم محدودیت‌های رقابتی را بر روی برخی از برهمکنش‌های نوترینوی جدید بررسی‌شده اعمال کنیم.»
به دام انداختن نوترینوها با استفاده از رد انرژی الکترون‌ها
آزمایش KATRIN (مخفف آزمایش نوترینوی تریتیوم کارلسروهه) یک آزمایش معمولی نیست. این دستگاه از یک گاز بسیار رادیواکتیو به نام تریتیوم استفاده می‌کند که دچار واپاشی بتا می‌شود و در این فرآیند یک الکترون و یک نوترینو را بیرون می‌دهد.
به طور معمول، دانشمندان سعی می‌کنند خود نوترینو را شناسایی کنند. با این حال، KATRIN کار هوشمندانه‌تری انجام می‌دهد و الکترون را زیر نظر می‌گیرد. انرژی حمل شده توسط آن الکترون، سرنخی در مورد جرم و رفتار نوترینوی در حال فرار ارائه می‌دهد. فنگلر افزود: «شکل طیف بتای ثبت شده، حاوی اطلاعاتی در مورد جرم نوترینو و سایر دستاوردهای فیزیک BSM است.»
این تشخیص ممکن است آسان به نظر برسد، اما در واقعیت، یکی از دشوارترین کارها برای فیزیکدانان است. نوترینوها چنان ضعیف با ماده برهمکنش می‌کنند که بدون هیچ مشکلی از کل سیارات عبور می‌کنند. تفاوت‌های انرژی که محققان در الکترون‌ها به دنبال آن هستند، بسیار ناچیز است، فقط کسری از یک الکترون‌ولت.
KATRIN برای تشخیص چنین جابجایی‌های کوچکی، به یک طیف‌سنج عظیم و فوق‌العاده دقیق و یکی از شدیدترین منابع تریتیوم جهان متکی است. با این حال، نویسندگان مطالعه‌ی حاضر فقط به اندازه‌گیری جرم نوترینو علاقه‌مند نبودند. آنها این سوال را مطرح کردند که آیا انرژی الکترون می‌تواند به نیروهای پنهانی که هنوز آنها را درک نمی‌کنیم، اشاره داشته باشد یا خیر.
طبق چندین نظریه‌ی پیشنهادی، نوترینوها ممکن است فقط به یک شکل با ماده برهمکنش نداشته باشند. ممکن است برهمکنش‌های نوترینوهای عمومی وجود داشته باشد که اثرات ناشناخته‌ای هستند که توسط ذرات فرضی مانند بوزون‌های W راست‌دست، ذرات هیگز باردار یا لپتوکوارک‌ها ایجاد می‌شوند.
اینها بخشی از مدل استاندارد نیستند، اما در بسیاری از نظریه‌های نسل بعدی همچنان مطرح می‌شوند. اگر هر یک از این اثرات وجود داشته باشند، شکل طیف واپاشی بتا را کمی تحریف می‌کنند. بنابراین برای بررسی عمیق‌تر، محققان به دور دوم داده‌های خود که تنها پنج درصد از آنچه KATRIN در نهایت جمع‌آوری خواهد کرد را نشان می‌دهد، پرداختند.
آنها شکل توزیع انرژی الکترون را با دقت تجزیه و تحلیل کردند و به دنبال آن تغییر شکل‌های کوچک بودند. جالب اینجاست که حتی با این داده‌های اولیه، آنها توانستند محدودیت‌های جدید و محکمی را برای طیف وسیعی از برهمکنش‌های جدید احتمالی تعیین کنند و نتایج آزمایش‌های مشابه در سراسر جهان را با نتایج آنها مطابقت دهند یا حتی بهبود بخشند.
اگرچه KATRIN هنوز شواهد مستقیمی از نیروهای نوترینویی جدید مشاهده نکرده است، اما این واقعیت که به اندازه کافی حساس است تا احتمالات را محدود کند، دستاورد بزرگی است. اکثر آزمایش‌ها یا در اعماق زمین انجام می‌شوند یا در آشکارسازهای عظیم برای شکار رویدادهای نادر نوترینو.
KATRIN کار متفاوتی انجام می‌دهد؛ از دقت برای به دام انداختن انحرافات ظریف درست در منبع استفاده می‌کند و این استراتژی در حال نتیجه دادن است. فنگلر خاطرنشان می‌کند: “ما در حال حاضر با گسترش مجموعه داده‌ها و تنظیم دقیق رویکرد تحلیلی خود، در حال بهبود بیشتر حساسیت خود در مورد برهمکنش‌های کلی نوترینو با KATRIN هستیم.”
در سال 2026، پروژه KATRIN وارد مرحله بعدی خود، TRISTAN، خواهد شد که برای جستجوی نوترینوهای سنگین‌تر، به اصطلاح استریل، طراحی شده است. این ذرات، در صورت وجود، می‌توانند به توضیح رمز و راز ماده تاریک کمک کنند.
در حال حاضر، مدل استاندارد هنوز پابرجاست. با این حال، با هر ذره داده‌های جدید، KATRIN در حال کنار زدن لبه‌های آن است و نقشه‌ای از مکان‌هایی که فیزیک جدید می‌تواند پنهان شده باشد، ترسیم می‌کند.
