داده‌های جدید جستجو برای معمای نادر زیراتمی را ادامه می‌دهند.
ماه گذشته، مایکروسافت از یک تراشه جدید رایانه کوانتومی به نام Majorana 1 خبر داد که انتظار می‌رفت «کامپیوترهای کوانتومی را که قادر به حل مشکلات صنعتی در سال‌ها، نه دهه‌ها، هستند، به واقعیت تبدیل کند.» دانشمندان مستقل به زودی در مورد این ادعا که به طرز شگفت‌انگیزی جسورانه بود، تردیدهایی مطرح کردند، اما همچنین اذعان کردند که مایکروسافت چالش بزرگی را برای ساخت چنین تراشه‌ای پذیرفته است و تلاش‌های آن در این مسیر نمی‌تواند یا نباید کاملاً نادیده گرفته شود.
مایکروسافت این تراشه را «Majorana 1» نامید زیرا این تراشه از ذرات مجارانا تشکیل شده است که نوع خاصی از ذرات زیراتمی با ویژگی‌های غیرمعمول هستند. یکی از ویژگی‌ها این است که یک ذره مجارانا، ضد‌ذره خود است. ذراتی که ماده را تشکیل می‌دهند، فِرمِیون‌ها، ضد‌ذراتی با هویت‌های متفاوت دارند. به عنوان مثال، ضد‌ذره الکترون، پوزیترون است، نه الکترون دیگری. ضد‌ذره پروتون ضد‌پروتون است، نه پروتون دیگر. اما به طور منحصر به فرد در میان فِرمِیون‌ها، ضد‌ذره یک ذره مجارانا، باز هم یک ذره مجارانا است. اگر دو تا از آنها به هم برخورد کنند، در یک چشم برهم زدن یکدیگر را از بین خواهند برد و انرژی شدیدی آزاد می‌کنند.یکی از سوالات اصلی در فیزیک معاصر این است که آیا نوترینوها ذرات مجارانا هستند.
نوترینوها، نوترینوها همه جا هستند
نوترینوها دومین ذره زیراتمی فراوان‌ترین در جهان پس از فوتون‌ها (ذرات نور) هستند. آنها در مقادیر زیادی در طول انفجار بزرگ (Big Bang) تولید شدند. نوترینوها در تجزیه رادیواکتیو، هنگامی که ستارگان عظیم منفجر می‌شوند و وقتی پرتوهای کیهانی به جو زمین برخورد می‌کنند تولید می‌شوند. آنها همچنین در فرآیند همجوشی هسته‌ای ساخته می‌شوند: فقط خورشید مسئول ارسال 60 میلیارد نوترینو در هر ثانیه به هر سانتی‌متر مربع از سطح زمین است. این ذرات همچنین به شدت سخت برای捕کردن هستند زیرا به طور ضعیف و نادر با ماده تعامل می‌کنند.
با این حال، بررسی آنها برای فیزیکدانان ضروری است: نوترینوها ممکن است کلید پاسخ به بسیاری از سوالات باز در مورد جهان ما باشند. تعداد زیاد آنها نشان‌دهنده این است که در بسیاری از فرآیندهای زیراتمی دخیل هستند. بنابراین، درک ویژگی‌های آنها دیدی شفاف از این فرآیندها و سوالات حل‌نشده‌ای که می‌توانند پاسخ دهند فراهم خواهد کرد.
ما چیزهای زیادی در مورد نوترینوها نمی‌دانیم. شاید بزرگترین سوال این است که نوترینوها چقدر وزن دارند. ما می‌دانیم که نوترینوها در سه نوع مختلف وجود دارند و تفاوت‌هایی بین مربع‌های جرم‌هایشان وجود دارد، اما نه جرم‌های فردی آنها. اگر ثابت شود که نوترینوها ذرات مجارانا هستند، فرایندی که آنها را به این وضعیت تبدیل می‌کند می‌تواند به راحتی برای پیدا کردن جرم‌های آنها نیز استفاده شود. این فرآیند به نام «واپاشی دو بتای بدون نوترینو» یا به اختصار 0vßß شناخته می‌شود.
درست کردن بتا و واپاشی‌های آن
هر اتم مقداری انرژی دارد که آن را در ذرات خود و نیروهای بین آنها حمل می‌کند. گاهی هسته یک اتم ممکن است انرژی زیادی داشته باشد که باعث بی‌ثباتی آن شود و به دنبال راهی برای از دست دادن این انرژی اضافی بگردد. این مفهوم ثبات ناشی از این واقعیت است که برای هر مجموعه‌ای از پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته، عددی وجود دارد که به ذرات این امکان را می‌دهد که خود را به گونه‌ای مرتب کنند که هسته انرژی حداقل ممکن را داشته باشد.
برای مثال، هسته اتم آکتیینیوم-227 شامل 89 پروتون و 138 نوترون است که باعث می‌شود هسته در وضعیتی بی‌ثبات وجود داشته باشد. برای از دست دادن «انرژی اضافی» خود، فرایند واپاشی بتا را طی می‌کند: الکترونی و ضد‌نوترینو آزاد می‌کند و به هسته توریم-227 تبدیل می‌شود. Th-227 نیز پایدار نیست و بیشتر تجزیه می‌شود، اما چون فرایند واپاشی بتا انرژی آزاد می‌کند، هسته به‌طور نسبی نسبت به قبل بهتر است.
در طبیعت، واپاشی بتا یک روش رایج برای تجزیه هسته‌های ناپایدار است. این فرایند می‌تواند در یکی از دو شکل اتفاق بیفتد: یکی زمانی که هسته نوترون‌های زیادی دارد و دیگری زمانی که هسته پروتون‌های زیادی دارد. در حالت اول، یک نوترون به پروتون تبدیل می‌شود و یک الکترون و ضد‌نوترینو آزاد می‌کند. در حالت دوم، یک پروتون به نوترون تبدیل می‌شود و یک پوزیترون و نوترینو آزاد می‌کند.
شکل سومی نیز وجود دارد که در آن دو واپاشی بتا به‌طور همزمان رخ می‌دهند، یعنی دو نوترون به‌طور همزمان به دو پروتون تبدیل می‌شوند و دو الکترون و دو ضد‌نوترینو منتشر می‌کنند. این توانایی تبدیل به واسطه تعامل ضعیف است که یکی از چهار روش تعامل ذرات زیراتمی با یکدیگر است (سه روش دیگر عبارتند از تعاملات قوی، الکترومغناطیسی و گرانشی).
یافتن 0vßß: جستجو برای شواهد
با اینکه واپاشی بتا بسیار رایج است، دانشمندان در حال جستجو برای یک نوع بسیار نادر از آن هستند: 0vßß. ممکن است اصلاً وجود نداشته باشد، اما اگر این‌طور باشد، ثابت می‌کند که نوترینوها ذرات مجارانا هستند.
در 0vßß، هسته دو الکترون منتشر می‌کند به جای اینکه یک الکترون و یک ضد‌نوترینو منتشر کند. این تنها زمانی اتفاق می‌افتد که نوترینوی منتشرشده توسط یک نوترون به‌عنوان ضد‌نوترینو توسط نوترینوی دیگر جذب شود که تنها در صورتی ممکن است که نوترینوها و ضد‌نوترینوها یکسان باشند. هر یک از الکترون‌های منتشرشده همچنین انرژی بیشتری دارد زیرا «شامل» انرژی ضد‌نوترینوی گمشده است. آزمایش‌های جستجو برای شواهد 0vßß می‌توانند از این تفاوت انرژی برای تشخیص اینکه آیا هسته واپاشی بتا را تجربه کرده یا 0vßß را استفاده کنند.
این دقیقاً همان کاری است که آزمایش AMoRE در کره جنوبی انجام می‌دهد، با استفاده از آشکارسازهای حساس ذرات که به کریستالی با 3 کیلوگرم هسته‌های مولیبدن-100 اشاره دارند که تا دماهای نزدیک صفر مطلق سرد شده‌اند. هسته‌های Mo-100 شناخته شده‌اند که واپاشی دو بتای را تجربه می‌کنند.
جستجو ادامه دارد
در مقاله‌ای که در 27 فوریه در Physical Review Letters منتشر شد، تیم AMoRE گزارش داد که هیچ شواهدی از 0vßß مشاهده نکرده‌اند. از آنجا که این فرآیند قبلاً فرض شده است که نادر است، عدم مشاهده آن می‌تواند به راحتی به این معنی باشد که مدت زمان کافی جستجو نکرده‌ایم. به همین دلیل تیم در مقاله گزارش داد که جمعیت هسته‌های Mo-100 به مدت حداقل 1024 سال از طریق 0vßß به نصف کاهش خواهد یافت. همچنین می‌تواند به این معنی باشد که 0vßß ممکن است در یک نمونه بزرگتر ظاهر شود. در نسخه آینده AMoRE، فیزیکدانان قصد دارند آن را در 100 کیلوگرم Mo-100 جستجو کنند.
در همین حال، آنها همچنین تخمین زده‌اند که جرم هر نوترینو باید کمتر از 0.22-0.65 میلیاردم پروتون باشد. این سقف جرم بسیار پایین است، اما با گفتن اینکه نوترینوها جرم صفر دارند یکسان نیست. این تفاوت اهمیت دارد. تئوری فعلی تمام ذرات زیراتمی، که به مدل استاندارد فیزیک ذرات معروف است، می‌گوید نوترینوها باید بی‌جرم باشند. بنابراین، وجود حتی مقدار کمی جرم باعث ایجاد مشکل در این تئوری و نشان‌دهنده این است که نقصی در آن وجود دارد. مشکل این است که فیزیکدانان هنوز نمی‌دانند این نقص کجاست. بنابراین AMoRE به نسخه بهبود یافته خود امیدوار است و جستجو ادامه دارد.
نظرات کاربران