نوترینوی راست‌گرد و معمای برتری ماده بر پادماده در جهان

چرا جهانی که می‌بینیم نباید وجود داشته باشد

مه‌بانگ (Big Bang) در نخستین لحظات خود مقادیر برابر ماده و پادماده تولید کرد. اگر این تقارن حفظ می‌شد، هر ذره ماده با همتای پادماده خود برخورد می‌کرد و به تابش خالص تبدیل می‌شد؛ نتیجه، جهانی خالی از کهکشان، ستاره و انسان بود. با این حال، ما اینجا هستیم. به ازای هر میلیارد جفت ذره و پادذره، تنها یک ذره ماده اضافه ماند و همین مقدار ناچیز، تمام ساختار کیهان امروز را ساخت. توضیح این عدم تقارن (asymmetry) یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های فیزیک نظری است.

پژوهشی تازه که در مجله Physical Review Letters منتشر شده، پیشنهاد می‌کند ذره‌ای فرضی به نام نوترینوی راست‌گرد (right-handed neutrino) می‌تواند کلید این معما باشد؛ ذره‌ای که تاکنون در بسیاری از محاسبات فیزیک‌دانان نادیده گرفته می‌شد.

نوترینو، شبح عالم ذرات

نوترینوها ذراتی هستند که به‌سختی با ماده برهم‌کنش می‌کنند. یک نوترینوی معمولی که از خورشید می‌آید، می‌تواند از ورقی از سرب به ضخامت یک سال نوری — حدود ۹.۵ تریلیون کیلومتر — بگذرد و تنها با یک اتم برخورد کند. به همین دلیل به آن‌ها «ذرات شبح‌وار» می‌گویند. نوترینوها سه گونه یا «طعم» (flavor) دارند و در مسیر حرکت خود میان این طعم‌ها جابه‌جا می‌شوند؛ پدیده‌ای کوانتومی به نام نوسان نوترینو (neutrino oscillation).

اما این نوسان تنها در صورتی ممکن است که نوترینو جرم داشته باشد، و اینجا نخستین مشکل جدی سر بر می‌آورد. مدل استاندارد فیزیک ذرات (Standard Model) پیش‌بینی می‌کند نوترینوها باید بی‌جرم باشند، در حالی که آزمایش‌ها خلاف آن را نشان می‌دهند.

نوسان نوترینو و معمای جرم

یکی از محبوب‌ترین راه‌حل‌ها برای این تناقض، معرفی نوترینوی راست‌گرد است. ذرات مانند فرفره‌های کوچک می‌چرخند و فیزیک‌دانان بر اساس جهت چرخش آن‌ها نسبت به جهت حرکت، ذره را راست‌گرد یا چپ‌گرد می‌نامند. یک ذره راست‌گرد مانند پیچی معمولی می‌چرخد که در جهت دور شدن از شما، ساعت‌گرد دوران می‌کند؛ در حالی که همه نوترینوهای مشاهده‌شده تاکنون چپ‌گردند و مانند پیچی با دنده معکوس می‌چرخند.

به گفته پژوهشگران، نوترینوی راست‌گرد برخلاف همتای چپ‌گرد خود، نیروی هسته‌ای ضعیف را حس نمی‌کند، بار الکتریکی ندارد و بسیار سنگین‌تر است. این ذره می‌تواند با نوترینوی چپ‌گرد آمیخته شود و جرم اندک آن را توضیح دهد.

سازوکار الاکلنگ

در فیزیک کوانتومی، ذراتی که با هم می‌آمیزند می‌توانند هم‌زمان آمیزه‌ای از دو هویت باشند. در چارچوبی نظری به نام سازوکار الاکلنگ (seesaw mechanism)، هر نوترینوی معمولی ردپایی بسیار faint از یک همتای سنگین راست‌گرد با خود حمل می‌کند و همان ردپا، جرم کوچک آن را می‌سازد. هرچه همتای سنگین‌تر باشد، ردپا کم‌رنگ‌تر و نوترینوی معمولی سبک‌تر می‌شود؛ درست مانند الاکلنگی که دو سر آن در جهت مخالف حرکت می‌کنند.

این ذرات می‌توانند معماهای دیگری را نیز حل کنند: خاستگاه جرم نوترینوها، عدم تقارن ماده و پادماده در کیهان، و ماهیت ماده تاریک (dark matter).

ذره‌ای که بر جهان نخستین چیره شد

سازوکار الاکلنگ معمولاً سه نوترینوی راست‌گرد را در بر می‌گیرد، اما چون دو مورد برای توضیح داده‌ها کافی است، فیزیک‌دانان اغلب سومی را نادیده می‌گیرند و فرض می‌کنند بیش از اندازه سنگین است یا بسیار ضعیف برهم‌کنش می‌کند.

در پژوهش تازه، پژوهشگران بررسی کردند که این ذره نادیده‌گرفته‌شده — که در نمونه اصلی محاسبات، حدود صد تریلیون برابر سنگین‌تر از پروتون است — پس از مه‌بانگ چه رفتاری داشته است. در آغاز، این ذره با سرعتی نزدیک به سرعت نور می‌تاخت، بنابراین انرژی آن مانند نور رفتار می‌کرد: با انبساط فضا پراکنده و به طول‌موج‌های ضعیف‌تر کشیده می‌شد. اما با سرد شدن کیهان، ذره کند شد و بیشتر انرژی آن در جرمش قفل شد؛ جرمی که تنها پراکنده می‌شود و رنگ نمی‌بازد. در نتیجه سهم این ذره از انرژی کل کیهان پیوسته رشد کرد تا آنجا که چیره شد و تا زمان واپاشی آن به ذرات دیگر، جهان را در دست داشت.

تاخیر در برهم‌کنش‌ها و شکل‌گیری برتری ماده

این چیرگی پیامدی مهم دارد: جهان زودتر و سریع‌تر منبسط می‌شود. هر برهم‌کنش در مدل استاندارد تنها زمانی آغاز می‌شود که آهنگ آن از آهنگ انبساط فضا پیشی بگیرد. چون جهانی که نوترینوی سنگین بر آن چیره است تندتر منبسط می‌شود، این برهم‌کنش‌ها باید تا سرد شدن بیشتر کیهان انتظار بکشند.

همین تاخیر سرنوشت‌ساز است. این برهم‌کنش‌ها به جهان نخستین امکان می‌دادند طعم‌های لپتون (lepton) را از یکدیگر تشخیص دهد، و این تشخیص بر شکل‌گیری مازاد ماده اثر می‌گذاشت. بر پایه محاسبات، به لطف همین تاخیر، یک نوترینوی راست‌گرد سبک‌تر — حدود صد میلیارد برابر سنگین‌تر از پروتون — می‌توانست مقدار مشاهده‌شده ماده را پیش از آنکه طعم‌ها از هم تفکیک شوند تولید کند، حتی پس از آنکه واپاشی نوترینوی سنگین بخشی از آن را رقیق کرده بود.

آزمون با امواج گرانشی

نوترینوی سنگین آن‌قدر پرجرم است که ساخت آن در هیچ شتاب‌دهنده ذراتی امکان‌پذیر نیست؛ بنابراین آزمون آن باید غیرمستقیم باشد. امواج گرانشی (gravitational waves) یکی از این راه‌هاست. دوره‌ای که نوترینوی سنگین بر آن چیره بود، نشانه‌ای مشخص در پس‌زمینه امواج گرانشی جهان نخستین بر جای می‌گذارد؛ از جمله در امواج ناشی از «ریسمان‌های کیهانی» (cosmic strings)، یعنی نقص‌های رشته‌مانند فرضی در فضا.

این پیش‌بینی‌ها را می‌توان با تأسیسات آینده آزمود: آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری LISA که مأموریتی از سوی آژانس فضایی اروپا است و قرار است حدود سال ۲۰۳۵ پرتاب شود، و رصدخانه آرایه کیلومترمربعی SKAO که پروژه‌ای رادیویی در استرالیا و آفریقای جنوبی است و می‌تواند با زمان‌سنجی دقیق تپ‌اخترها (pulsar) چنین امواجی را شناسایی کند.

افق پیش‌رو

اهمیت این پژوهش در آن است که نشان می‌دهد ذره‌ای که به سادگی از محاسبات کنار گذاشته می‌شد، می‌تواند سرنوشت کیهان را تغییر دهد. اگر مشاهدات آینده نشانه‌های پیش‌بینی‌شده را بیابند، نه‌تنها معمای جرم نوترینو و برتری ماده بر پادماده به هم گره می‌خورد، بلکه پنجره‌ای تازه به نخستین لحظات جهان گشوده می‌شود؛ لحظاتی که کمتر از یک ثانیه پس از آغاز زمان، سرنوشت همه چیز تعیین شد.