ذره‌ای فراموش‌شده که شاید راز وجود ما را در جهان فاش کند
اگر مهبانگ یا بیگ‌بنگ آغاز جهان بوده است، چرا امروز جهان از ماده ساخته شده، نه از هیچ؟ فیزیک‌دانان اکنون احتمال می‌دهند ذره‌ای فرضی و مرموز به نام «نوترینوی سترون» بتواند سرنخی تازه برای حل این معمای بنیادی ارائه دهد؛ ذره‌ای که شاید میلیاردها سال پیش، ناخواسته زمینه شکل‌گیری همه چیز، از کهکشان‌ها تا حیات، را فراهم کرده باشد.
به گزارش سیناپرس، بر اساس درک کنونی ما از جهان، انتظار می‌رود مهبانگ مقادیر تقریباً برابری از ماده و پادماده تولید کرده باشد. این دو در برخورد با یکدیگر نابود می‌شوند و انرژی آزاد می‌کنند. اگر همه چیز کاملاً متقارن پیش می‌رفت، ماده و پادماده باید یکدیگر را از بین می‌بردند و جهان امروزی، با ستارگان، سیارات و موجودات زنده، شکل نمی‌گرفت.
بااین‌حال، در نخستین لحظات شکل‌گیری جهان، عدم‌تعادلی بسیار کوچک میان ماده و پادماده پدید آمد؛ اختلافی که باعث شد مقداری ماده باقی بماند و در گذر زمان، ساختارهای کیهانی و در نهایت شرایط لازم برای پیدایش حیات شکل بگیرد.
اکنون دو فیزیک‌دان با ارائه مدلی نظری، توضیح تازه‌ای برای منشأ این عدم‌تعادل پیشنهاد کرده‌اند: ممکن است ذره‌ای فرضی که تاکنون کمتر مورد توجه قرار گرفته است، نقشی مهم در این فرایند داشته باشد.
نوترینوی سترون چگونه می‌تواند راز جهان را توضیح دهد؟
در پژوهشی که در نشریه علمی Physical Review Letters منتشر شده، ریشاو روشن از دانشگاه ساوتهمپتون و سودیپتا شو از مؤسسه فناوری هند در کانپور، با استفاده از مدل‌سازی و محاسبات نظری بررسی کرده‌اند که یک نوع فرضی از نوترینوها چگونه می‌تواند به باقی ماندن ماده در جهان اولیه کمک کرده باشد.
نوترینوی سترون (Sterile Neutrino) ذره‌ای فرضی است که برخلاف ذرات معمولی، با نیروهای بنیادی شناخته‌شده بر ماده، به‌جز گرانش، برهم‌کنش مستقیمی ندارد؛ البته برهم‌کنش احتمالی بسیار ضعیف آن با میدان هیگز نیز در برخی مدل‌ها مطرح است. به همین دلیل، شناسایی چنین ذره‌ای بسیار دشوار خواهد بود.
روشن توضیح می‌دهد که این نوترینوی سنگین و کم‌برهم‌کنش، مدت‌ها در فیزیک ذرات به‌عنوان جزئی کم‌اهمیت در نظر گرفته می‌شد؛ اما ویژگی مهم آن، واپاشی بسیار آهسته است.
به گفته او، با سرد شدن جهان پس از مهبانگ، این ذره به‌اندازه‌ای عمر کرد که برای مدتی چگالی انرژی جهان را تحت تأثیر قرار داد و دوره‌ای را رقم زد که در آن ماده بر محتوای انرژی جهان غالب شد.
پژوهشگران معتقدند همین تغییر موقت می‌توانسته شرایط لازم برای ایجاد عدم‌تعادل میان ماده و پادماده را فراهم کند؛ عدم‌تعادلی که بقای ماده و شکل‌گیری جهان کنونی به آن وابسته است.
نوترینوها؛ ذراتی فراوان با جرمی حیرت‌انگیز
نوترینوها از مرموزترین ذرات شناخته‌شده در طبیعت هستند. سه نوع نوترینوی معمولی تاکنون شناسایی شده‌اند و این ذرات به دلیل برهم‌کنش بسیار ضعیف با ماده، تقریباً بدون آنکه متوجه حضورشان شویم، از محیط اطراف و حتی بدن ما عبور می‌کنند.
برآوردها نشان می‌دهد در هر لحظه شمار عظیمی از نوترینوها از بدن انسان می‌گذرند. با وجود فراوانی آن‌ها، جرم نوترینوها بسیار کمتر از جرم ذراتی مانند الکترون است؛ به‌طوری‌که جرمشان دست‌کم یک میلیون بار کمتر از جرم الکترون برآورد می‌شود.
این موضوع پرسشی اساسی ایجاد می‌کند: چرا نوترینوها تا این اندازه سبک هستند؟
برای توضیح این مسئله، فیزیک‌دانان فرضیه‌ای به نام «سازوکار الاکلنگی» (Seesaw Mechanism) را مطرح کرده‌اند. طبق این فرضیه، سبک بودن نوترینوهای معمولی ممکن است با وجود همتایانی فرضی و بسیار سنگین‌تر، یعنی نوترینوهای سترون، مرتبط باشد.
در این چارچوب، نوترینوهای معمولی و همتایان سنگین‌تر فرضی آن‌ها می‌توانند دو سوی یک رابطه باشند؛ به این معنا که سنگینی یکی، با سبکی دیگری ارتباط دارد. البته وجود نوترینوهای سترون هنوز به‌طور تجربی تأیید نشده است.
چگونه یک ذره فرضی می‌تواند به بقای ماده کمک کند؟
در مدل جدید، پژوهشگران نوعی نوترینوی سترون را بررسی کرده‌اند که ارتباط بسیار ضعیفی با فرایندهای دیگر دارد و در مقایسه با برخی همتایان فرضی خود، دیرتر واپاشی می‌کند.
این تفاوت زمانی اهمیت پیدا می‌کند که جهان اولیه را در نظر بگیریم؛ محیطی بسیار داغ که در آن ذرات و پادذرات به‌طور مداوم تولید می‌شدند و با یکدیگر برهم‌کنش داشتند.
به گفته روشن، حضور این نوترینو می‌توانسته دمای جهان اولیه را که در آن ذرات بنیادی، از جمله الکترون‌ها و دیگر لپتون‌ها، با پادذرات خود برهم‌کنش می‌کردند، تغییر دهد. این دما نقش مهمی در تعیین چگونگی شکل‌گیری عدم‌تعادل ماده و پادماده داشته است.
از سوی دیگر، واپاشی نوترینوهای سترون می‌توانسته به تولید اندکی بیشتر از ذرات ماده در مقایسه با پادماده منجر شود. نوترینوی مورد بررسی نیز با باقی ماندن طولانی‌تر در جهان اولیه، بر تعادل انرژی، دما و روند انبساط جهان تأثیر گذاشته است.
در ادامه، فرایندی کوانتومی به نام «اسفالِرون» (Sphaleron) می‌توانسته بخشی از عدم‌تعادل ایجادشده میان لپتون‌ها را به عدم‌تعادلی متناظر میان کوارک‌ها تبدیل کند. کوارک‌ها نیز اجزای سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند؛ ذراتی که در کنار الکترون‌ها، ماده معمولی را تشکیل می‌دهند.
در صورت تأیید این سناریو، زنجیره‌ای از رویدادها در جهان اولیه می‌تواند توضیح دهد که چگونه اختلافی بسیار کوچک میان ماده و پادماده، به بقای ماده و شکل‌گیری ساختارهای کیهانی انجامیده است.
آیا می‌توان رد این ذره را پیدا کرد؟
یکی از نکات مهم پژوهش جدید این است که مدل ارائه‌شده، پیش‌بینی‌هایی درباره جرم سبک‌ترین نوترینوی معمولی دارد. این پیش‌بینی‌ها را می‌توان با آزمایش‌های فیزیک ذرات بررسی کرد و درستی یا نادرستی مدل را سنجید.
پژوهشگران همچنین معتقدند تغییرات چشمگیر در روند انبساط جهان اولیه ممکن است اثرهایی قابل‌اندازه‌گیری بر امواج گرانشی نخستین بر جای گذاشته باشد؛ موج‌هایی که از تغییرات در ساختار فضا-زمان سرچشمه می‌گیرند.
بررسی این آثار می‌تواند در آینده به آزمودن فرضیه نوترینوی سترون کمک کند. بااین‌حال، چنین اندازه‌گیری‌هایی به ابزارهای بسیار پیشرفته نیاز دارند. یکی از مأموریت‌های پیشنهادی برای این حوزه، رصدخانه فضایی لیزا (LISA) است که قرار است با استفاده از سه فضاپیما و بازوهای لیزری بسیار بلند، امواج گرانشی را در فضا اندازه‌گیری کند.
البته هنوز هیچ مدرک مستقیمی وجود ندارد که نشان دهد نوترینوی سترون مورد بحث واقعاً وجود داشته یا در بقای ماده نقش داشته است. این پژوهش در حال حاضر یک توضیح نظری قابل‌آزمون ارائه می‌دهد، نه پاسخی قطعی به معمای پیدایش جهان.
سودیپتا شو در پایان تأکید می‌کند که نشانه‌های احتمالی این امواج گرانشی می‌توانند مسیرهای تازه‌ای برای شناخت چگونگی تحول جهان در دوره پس از مهبانگ پیش روی دانشمندان قرار دهند.
نتایج این پژوهش در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.
