شکار ارواح کیهانی در اعماق یخ؛ داستان کشفی که نوبل فیزیک ۲۰۲۶ را رقم زد
ایده‌ای که «فرانسیس هالزن» (Francis Halzen) سال‌ها برای عملی کردنش تلاش کرد، سرانجام در اکتبر ۲۰۲۶ جایزه نوبل فیزیک را برایش به ارمغان آورد. The post شکار ارواح کیهانی در اعماق یخ؛ داستان کشفی که نوبل فیزیک ۲۰۲۶ را رقم زد appeared first on سفیر ارجان .
ایده‌ای که «فرانسیس هالزن» (Francis Halzen) سال‌ها برای عملی کردنش تلاش کرد، سرانجام در اکتبر ۲۰۲۶ جایزه نوبل فیزیک را برایش به ارمغان آورد.
جهت بهره‌مندی و دسترسی به امکانات ویژه و بخش‌های مختلف در سفیر ارجان عضو ویژه سفیر ارجان شوید.
چگونه یک فیزیکدان با تبدیل یک کیلومتر مکعب یخ در قطب جنوب به تلسکوپی غول‌آسا، راه تازه‌ای برای کشف اسرار سیاه‌چاله‌ها و پرانرژی‌ترین پدیده‌های کیهان گشود؟
۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷، از دل یخ‌های قطب جنوب پیامی به رصدخانه‌های سراسر جهان ارسال شد. ماجرا از یک ذره کوچک شروع شده بود؛ ذره‌ای که احتمالاً میلیاردها سال در کیهان سفر کرده و سرانجام در عمق یخ‌ها ردی از خود به جا گذاشته بود. تنها ۴۳ ثانیه پس از ثبت این رویداد، دانشمندان در نقاط مختلف جهان به جست‌وجوی منشأ آن پرداختند. اما این ذره از کجا آمده بود و چرا پیدا کردنش تا این اندازه اهمیت داشت؟ پاسخ، آن‌ها را به یکی از عجیب‌ترین و پرانرژی‌ترین نقاط کیهان رساند. جالب‌تر اینکه کشف این ذره نه با یک تلسکوپ معمولی، بلکه با هزاران حسگر مدفون در یخ ممکن شده بود؛ ایده‌ای که «فرانسیس هالزن» (Francis Halzen) سال‌ها برای عملی کردنش تلاش کرد و سرانجام در اکتبر ۲۰۲۶ جایزه نوبل فیزیک را برایش به ارمغان آورد.
اگر از کنار ساختمان رصدخانه «آیس‌کیوب» (IceCube) در قطب جنوب عبور کنید، احتمالاً چیزی توجهتان را جلب نمی‌کند. ساختمانی ساده در نزدیکی ایستگاه تحقیقاتی آموندسن–اسکات، در یکی از سردترین نقاط زمین. نه گنبد بزرگی دارد و نه تلسکوپی که به آسمان نشانه رفته باشد. بااین‌حال، همین ساختمان به یکی از غیرمعمول‌ترین رصدخانه‌های جهان متصل است.
برای دیدن بخش اصلی این رصدخانه باید حدود یک‌ونیم کیلومتر به زیر سطح یخ برویم. آنجا، در عمق ۱۴۵۰ تا ۲۴۵۰ متری، بیش از پنج هزار حسگر نوری قرار گرفته‌اند. دانشمندان در واقع یک کیلومتر مکعب از یخ‌های قطب جنوب را به آشکارسازی عظیم تبدیل کرده‌اند. اما چرا کسی باید برای مطالعه جهان، به‌جای نگاه کردن به آسمان، سراغ یخ‌های زیر پایش برود؟
پاسخ به ذراتی به‌نام نوترینو مربوط می‌شود؛ ذراتی که می‌توانند از میان زمین، بدن انسان و حجم عظیمی از ماده عبور کنند، بی‌آنکه اثری از خود بر جا بگذارند. پیدا کردن یکی از آن‌ها کار ساده‌ای نیست، اما گاهی یک نوترینو با ماده برخورد می‌کند و ذرات دیگری به‌وجود می‌آورد که حرکتشان در یخ، نور بسیار ضعیفی تولید می‌کند. حسگرهای آیس‌کیوب برای ثبت همین نور طراحی شده‌اند.
در ۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷، ساعت ۲۰:۵۴:۳۰ به وقت جهانی، حسگرهای آیس‌کیوب چنین رویدادی را ثبت کردند. کامپیوترها با بررسی الگوی نور توانستند مسیر احتمالی ذره را بازسازی کنند. این رویداد بعدها IceCube-170922A نام گرفت.
برآوردها نشان می‌دادند انرژی نوترینوی عامل این رویداد حدود ۲۹۰ تراالکترون‌ولت بوده است، انرژی فوق‌العاده بالایی که احتمال می‌رفت منشأ آن جایی بسیار دورتر از زمین باشد. اما یک سؤال اساسی باقی مانده بود: چه چیزی در کیهان می‌تواند ذره‌ای با چنین انرژی عظیمی تولید کند؟ و مهم‌تر از آن، آیا می‌شد با دنبال کردن مسیر این ذره، محل تولدش را پیدا کرد؟
برای فهمیدن اینکه چرا دانشمندان این رویداد را تا این اندازه جدی گرفتند، باید به گذشته برگردیم؛ به زمانی که حتی وجود چنین ذراتی هنوز یک فرضیه بود.
همین حالا که مشغول خواندن این متن هستید، میلیاردها ذره، بدون اینکه چیزی احساس کنید یا حتی متوجه حضورشان شوید، از بدن شما عبور می‌کنند. چطور ممکن است ذره‌ای تقریباً از همه‌چیز عبور کند و در عین حال، اطلاعاتی ارزشمند درباره دورترین نقاط جهان با خود بیاورد؟ نام این ذره نوترینو است؛ یکی از عجیب‌ترین ذرات بنیادی که فیزیکدانان می‌شناسند.
ماجرای کشف نوترینو از یک مشکل حل‌نشده آغاز شد. در سال ۱۹۳۰، «ولفگانگ پائولی» (Wolfgang Pauli)، فیزیکدان اتریشی، متوجه شد برای توضیح انرژی ظاهراً گمشده در نوعی واپاشی هسته‌ای، باید ذره‌ای ناشناخته وجود داشته باشد. ذره‌ای که هیچ‌کس آن را ندیده بود و ابزارهای آن زمان نیز توان آشکارسازی‌اش را نداشتند. پیشنهاد پائولی در ابتدا بیشتر شبیه راه‌حلی برای نجات یکی از قوانین اساسی فیزیک بود تا کشف یک ذره جدید.
۲۶ سال طول کشید تا سرانجام «فردریک رینز» (Frederick Reines) و «کلاید کون» (Clyde Cowan) در سال ۱۹۵۶ موفق شدند وجود نوترینو را به‌طور تجربی اثبات کنند. اما کشف این ذره تازه آغاز ماجرا بود.
امروز می‌دانیم نوترینوها بار الکتریکی ندارند، جرمشان بسیار ناچیز است و به‌ندرت با ماده برهم‌کنش می‌کنند. برای درک مقدار فراوانی آن‌ها، کافی است به خورشید فکر کنید. خورشید در جریان واکنش‌های هسته‌ای خود، میلیاردها نوترینو تولید می‌کند. تعداد این ذرات آن‌قدر زیاد است که در هر ثانیه، حدود ۶۰ میلیارد نوترینو از سطحی به‌اندازه یک سانتی‌متر مربع در نزدیکی زمین عبور می‌کنند. جالب اینکه همین ذرات بی‌وقفه و بدون برخورد با اتم‌های بدنمان، از بدن ما نیز می‌گذرند.
اما نکته جالب درباره نوترینوها این است که ویژگی که پیدا کردنشان را تا این اندازه دشوار می‌کند، آن‌ها را به پیام‌رسان‌هایی ارزشمند از اعماق کیهان تبدیل کرده است. نور همیشه نمی‌تواند از محیط‌های بسیار متراکم عبور کند و ذرات باردار نیز در مسیر خود، تحت‌تأثیر میدان‌های مغناطیسی منحرف می‌شوند. نوترینوها اما می‌توانند از دل همین محیط‌ها بیرون بیایند و میلیاردها سال نوری را تقریباً بدون تغییر مسیر، طی کنند.
به‌همین‌دلیل، هر نوترینویی که به زمین می‌رسد، ممکن است سرنخی از رویدادی در گوشه‌ای دورافتاده از جهان با خود داشته باشد؛ رویدادی که حتی قدرتمندترین تلسکوپ‌ها هم نتوانند آن را مستقیماً ببینند. بااین‌حال، دانشمندان با مشکل عجیبی روبه‌رو بودند. چگونه می‌شد مسیر ذره‌ای را پیدا کرد که می‌تواند از تمام کره زمین عبور کند، بی‌آنکه با چیزی برخورد کند؟
همین دشواری دانشمندان را به فکر راهی متفاوت انداخت. آن‌ها به آشکارسازی بسیار بزرگ نیاز داشتند تا شانس ثبت برخوردهای نادر نوترینوها را افزایش دهند. سرانجام، ایده استفاده از حجم عظیمی از یخ‌های طبیعی قطب جنوب شکل گرفت؛ جایی که می‌شد با نصب هزاران حسگر در اعماق یخ، رد ذراتی را پیدا کرد که تقریباً بدون برخورد از هر چیزی عبور می‌کنند.
آیس‌کیوب قرار نبود فقط نوترینوها را شناسایی کند. دانشمندان امیدوار بودند با کمک این رصدخانه، پاسخی برای یکی از معماهای قدیمی اخترشناسی پیدا کنند. ذراتی که با انرژی‌های باورنکردنی از اعماق فضا به زمین می‌رسند، کجا و چگونه به چنین سرعت و انرژی عظیمی دست پیدا می‌کنند؟
بیشتر شناخت ما از جهان به کمک نور به‌دست آمده است؛ از نور مرئی تا امواج رادیویی و پرتوهای ایکس و گاما. تلسکوپ‌ها با دریافت این تابش‌ها توانسته‌اند تصاویری از کهکشان‌های دوردست، انفجار ستارگان و محیط اطراف سیاه‌چاله‌ها ثبت کنند. اما این مشاهدات هنوز نتوانسته‌اند یکی از مهم‌ترین پرسش‌ها را به‌طور کامل پاسخ دهند. منشأ پرانرژی‌ترین پرتوهای کیهانی کجاست؟
پرتوهای کیهانی برخلاف نامشان، بیشتر از ذراتی مانند پروتون‌ها و هسته‌های اتمی تشکیل شده‌اند. بعضی از آن‌ها با انرژی‌هایی به زمین می‌رسند که بسیار فراتر از توان بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌های ساخت بشر است. دانشمندان می‌دانند در گوشه‌وکنار کیهان پدیده‌هایی وجود دارند که می‌توانند ذرات را تا چنین انرژی‌هایی شتاب دهند، اما شناسایی دقیق این محیط‌ها همچنان دشوار است.
بقایای انفجار ستارگان، نواحی اطراف سیاه‌چاله‌های عظیم و فوران‌های قدرتمند ماده از مرکز کهکشان‌ها از جمله مکان‌های مشکوک هستند. مشکل اینجاست که پرتوهای کیهانی در مسیر رسیدن به زمین بارها تغییر جهت می‌دهند و درنتیجه، پیدا کردن محل دقیق تولیدشان معمولاً امکان‌پذیر نیست.
اینجاست که نوترینوها اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کنند. وقتی ذرات بسیار پرانرژی در نزدیکی این اجرام با ماده یا تابش برخورد می‌کنند، ممکن است نوترینو نیز تولید شود. بنابراین، شناسایی یک نوترینوی پرانرژی می‌تواند نشانه‌ای از فعالیت همان شتاب‌دهنده‌های طبیعی باشد که اخترشناسان سال‌ها به دنبالشان بوده‌اند.
البته ثبت یک نوترینو به‌تنهایی برای شناسایی منشأ آن کافی نیست. دانشمندان باید جهت حرکتش را با مشاهدات تلسکوپ‌های دیگر مقایسه کنند و ببینند آیا در همان بخش از آسمان، پدیده‌ای پرانرژی در حال رخ دادن است یا نه.
همین موضوع به رویداد ۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷ اهمیت ویژه‌ای می‌داد. نوترینویی که آیس‌کیوب ثبت کرده بود، شاید می‌توانست دانشمندان را به یکی از شتاب‌دهنده‌های طبیعی کیهان برساند. اکنون باید دید آیا در مسیری که این ذره از آن رسیده بود، نشانه دیگری هم پیدا می‌شد یا نه.
در دهه ۱۹۸۰، زمانی که دانشمندان هنوز به‌دنبال راهی برای شناسایی منشأ پرانرژی‌ترین ذرات کیهانی بودند، هالزن، به ایده‌ای علاقه‌مند شد که اجرای آن چندان ساده به‌نظر نمی‌رسید. او می‌خواست از یخ‌های طبیعی قطب جنوب برای ساخت رصدخانه‌ای استفاده کند که تا آن زمان نمونه‌ای در آن مقیاس وجود نداشت.
البته فکر استفاده از محیط‌های طبیعی برای آشکارسازی نوترینوها چندان تازه نبود. پیش از آن، دانشمندان در پروژه‌ای به‌نام «دوماند» (DUMAND) تلاش کرده بودند از آب‌های عمیق اقیانوس در نزدیکی هاوایی برای این کار استفاده کنند. اما کار در اعماق اقیانوس مشکلات زیادی داشت و نصب و نگهداری تجهیزات در آن محیط دشوار بود.
هالزن به همراه «جان لرند» (John Learned)، فیزیکدان آمریکایی، به امکان استفاده از یخ‌های ضخیم جنوبگان فکر کرد. برخلاف آب اقیانوس، یخ محیطی ثابت بود و حسگرها پس از نصب و یخ‌زدن دوباره آب اطرافشان، در جای خود باقی می‌ماندند. اگر یخ در لایه‌های عمیق به‌اندازه کافی شفاف بود، حسگرها می‌توانستند نور ضعیف حاصل از برخورد نوترینوها با ماده را ثبت کنند. هالزن و لرند در سال ۱۹۸۸ این ایده را در یک نشست علمی مطرح کردند و استفاده از یخ‌های قطب جنوب را به‌عنوان راهی تازه برای آشکارسازی نوترینوها پیشنهاد دادند.
اما فاصله زیادی میان مطرح کردن یک ایده و اثبات عملی آن وجود داشت. هیچ‌کس دقیقاً نمی‌دانست نور در لایه‌های عمیق یخ تا چه مسافتی حرکت می‌کند. حباب‌های هوا و ناخالصی‌های موجود در یخ می‌توانستند نور را در جهت‌های مختلف پراکنده کنند و تشخیص مسیر ذرات را دشوار سازند. از طرفی، نصب تجهیزات به حفاری چاه‌های عمیق نیاز داشت؛ آن هم در منطقه‌ای که سرمای شدید و شرایط آب‌وهوایی، حتی ساده‌ترین فعالیت‌های فنی را به کاری پیچیده تبدیل می‌کرد.
نخستین آزمایش‌ها در گرینلند انجام شد. پژوهشگران با قراردادن حسگرهای نوری در یخ توانستند نشان دهند که این روش از نظر فنی امکان‌پذیر است. نتیجه امیدوارکننده بود، اما برای ساخت یک رصدخانه واقعی هنوز باید شرایط یخ‌های قطب جنوب بررسی می‌شد.
در سال ۱۹۹۳، اجرای پروژه آزمایشی «آماندا» (AMANDA)، در قطب جنوب کلید خورد، پروژه‌ای که بعدها زمینه را برای ساخت رصدخانه آیس‌کیوب فراهم کرد. پژوهشگران با استفاده از آب داغ و پرفشار، در یخ چاه حفر می‌کردند و پیش از یخ‌زدن دوباره آب، کابل‌های حامل حسگرهای نوری را به داخل آن می‌فرستادند.
شب کریسمس همان سال، هالزن در خانه‌اش در بلژیک منتظر خبری از گروه مستقر در قطب جنوب بود. او پشت میز شام، کامپیوترش را کنار خود گذاشته بود و مرتب پیام‌های دریافتی را بررسی می‌کرد. سرنوشت سال‌ها تلاش به موفقیت عملیاتی بستگی داشت که هزاران کیلومتر دورتر انجام می‌شد و او هیچ کنترلی بر آن نداشت. سرانجام پیام مورد انتظار رسید. نخستین کابل حامل حسگرهای نوری با موفقیت در یخ نصب شده بود.
این خبر، موفقیت مهمی برای گروه پژوهشی بود، اما خیلی زود مشخص شد که نصب تجهیزات تنها بخشی از مشکل بوده است. داده‌های اولیه نشان می‌دادند یخ در عمقی که حسگرها قرار گرفته بودند، آن‌قدر که انتظار می‌رفت شفاف نیست. حباب‌های هوای محبوس در یخ، نور را پراکنده می‌کردند و دقت آشکارساز را کاهش می‌دادند. پژوهشگران حالا باید مشخص می‌کردند آیا در لایه‌های عمیق‌تر، شرایط بهتری وجود دارد یا ایده‌ای که سال‌ها برای اجرای آن تلاش کرده بودند، با مانعی جدی روبه‌رو شده است.
پاسخ پرسش پژوهشگران در لایه‌های عمیق‌تر یخ پیدا شد. بررسی‌ها نشان دادند که در عمق بیش از ۱۴۰۰ متر، با کاهش حباب‌های هوا، یخ به‌مراتب شفاف‌تر می‌شود و نور می‌تواند مسافت‌های بسیار بیشتری را در آن طی کند. این کشف مسیر پروژه را تغییر داد. آماندا تا سال ۲۰۰۰ توانست توانایی خود را در آشکارسازی نوترینوها نشان دهد، اما هالزن و همکارانش به‌دنبال چیزی بسیار بزرگ‌تر بودند، رصدخانه‌ای که بتواند تعداد بیشتری از نوترینوهای پرانرژی کیهانی را شناسایی کند.
ساخت رصدخانه آیس‌کیوب در اواخر سال ۲۰۰۴ آغاز شد و یکی از دشوارترین مراحل آن، حفاری در یخ‌های قطب جنوب بود. مهندسان برای این کار از سامانه‌ای با توان گرمایی حدود پنج مگاوات استفاده کردند که با آب داغ پرفشار، چاه‌هایی به قطر تقریبی ۶۰ سانتی‌متر و عمق نزدیک به ۲۵۰۰ متر ایجاد می‌کرد. حفر هر چاه حدود دو روز طول می‌کشید و گروه اجرایی باید پیش از یخ‌زدن دوباره آب، کابل حامل حسگرها را درون آن قرار می‌داد.
تجهیزات حفاری آب داغ آیس‌کیوب در قطب جنوب که برای ایجاد چاه‌های عمیق و نصب حسگرهای نوری در یخ استفاده شدند.
این عملیات در طول چند فصل تابستان جنوبگان ادامه یافت تا سرانجام در دسامبر ۲۰۱۰ به پایان رسید. در مجموع، ۵۱۶۰ حسگر نوری روی ۸۶ رشته کابل عمودی نصب شدند. هر حسگر درون محفظه‌ای شیشه‌ای و مقاوم قرار داشت و می‌توانست نور بسیار ضعیف را ثبت و اطلاعات آن را از طریق کابل‌ها به کامپیوترهای سطح زمین منتقل کند.
آیس‌کیوب در سال ۲۰۱۱ با ظرفیت کامل به بهره‌برداری رسید. طرحی که با آزمایش‌هایی نامطمئن آغاز شده بود، حالا به رصدخانه‌ای بین‌المللی تبدیل می‌شد که بیشتر تجهیزات آن در اعماق یخ قرار داشت و دسترسی مستقیم به آن‌ها تقریباً غیرممکن بود.
اما ساخت چنین رصدخانه بزرگی تنها بخشی از موفقیت بود. هالزن و همکارانش هنوز باید نشان می‌دادند که این ابزار می‌تواند همان کاری را انجام دهد که سال‌ها برایش تلاش کرده بودند؛ شناسایی نوترینوهایی که از رویدادهای پرانرژی در خارج از منظومه شمسی به زمین می‌رسند.
آشکارسازی نوترینوها تنها به ثبت نور در یخ محدود نمی‌شود. دانشمندان باید از روی همین سیگنال‌های ضعیف تشخیص دهند که ذره چه مقدار انرژی داشته و از کدام سمت به زمین رسیده است. برای این کار، آیس‌کیوب از پدیده‌ای فیزیکی به‌نام تابش چرنکوف کمک می‌گیرد.
این تابش زمانی شکل می‌گیرد که ذره‌ای باردار با سرعتی بیشتر از سرعت انتشار نور در محیطی مانند یخ حرکت کند. البته این اتفاق به معنای شکستن محدودیت سرعت نور در خلأ نیست، زیرا نور هنگام عبور از یخ آهسته‌تر حرکت می‌کند. در چنین شرایطی، ذره تابشی تولید می‌کند که بخش قابل‌توجهی از آن در محدوده نور آبی قرار دارد.