پنج ذره اسرارآمیز زیرزمینی جهان

لایه‌های سنگ زیر زمین ممکن است شواهدی از یک نیروی جدید بوده و تجربیات ظریف را در برابر پرتوهای کیهانی و دیگر ذرات پر انرژی محافظت کند که خود می‌تواند به کشف ذرات فوق نادر منجر شود.

این گزارش به معرفی ذرات اسرارآمیز از غیر ذره گرفته تا ذرات سنگین با برهم کنش ضعیف (WIMPs) پرداخته که ممکن است در زیر زمین وجود داشته باشند.

- غیر ذره

فیزیکدانان در حال جست‌وجو برای یک نیروی بنیادی جدید درون جبه زمین موسوم به غیر ذره هستند. این ماده که هم مانند فوتونها و هم ذرات دارای جرم رفتار کرده، ممکن است مسؤول تعاملات چرخشی دوربرد باشد که یک نیروی جدید و عامل هم تراز کردن چرخش الکترون اتمها در فواصل طولانی است.

محققان برای کشف شواهد این نیروی جدید به نقشه برداری از چگالی الکترونی و چرخش درون جبه زمین پرداخته و اکنون در دو تجربه جداگانه در فاصله حدود 4 هزار و 828 کیلومتری در حال بررسی امکان تاثیر گذاری این الکترونهای زیرزمینی بر چگونگی چرخش نورونها و الکترونها هستند.

اگر الکترونهای درون جبه نیرویی را به این ذرات در تجربیات آزمایشگاهی منتقل کنند، باید فرکانسی را که این ذرات در آن می‌چرخند، تغییر دهد. این نیروی جدید سپس به گرانش، الکترو مغناطیس و نیروهای ضعیف و قوی اتمی برای نمایش رفتار جهان خواهد پیوست.

- ذرات ماده تاریک

جهان پر مواد نامرئی موسوم به ماده تاریک است که تصور می‌شود کشش گرانشی آنها باعث نگهداشتن کهکشانها از انتشار در فضا می‌شود. نظریات پیشگام در این مورد آن است که ماده تاریک از ذرات سنگین با برهم کنش ضعیف ساخته شده که به ندرت با ماده معمولی تعامل دارند.

چندین آزمایشگاه از جمله آشکار ساز بزرگ زیرزمینی زنون بر پوسته مین برای محافظت از تجربه‌ها در برابر پرتوهای کیهانی نیاز داشته که می‌تواند تعاملات کم ذرات سنگین با برهم کنش ضعیف با اتمهای عادی را نامحسوس کند. تاکنون، نشانه‌های این ذرات بسیار کم و پراکنده بوده اما با چندین تجربه در حال انجام، شواهد این ذرات ممکن است در چند سال آینده قابل مشاهده شود.

- نوترینوهای خورشیدی

فیزیکدانان آزمایشگاه ملی گران ساسو که یک آشکارساز ذره زیرزمینی در زیر یک کوه ایتالیایی بوده، توانسته نوترینوهای خورشیدی را در حال تغییر نوع یا «طعم» شناسایی کند. تعاملات اتمی خورشیدی این ذرات بدون بار را بوجود می‌آورند اما نظریه‌های پیشگام بر این اساس است که نوع آنها در زمان سفر به زمین تغییر می‌کند.

در نتیجه، فیزیکدانان به دنبال طعمهای خاص نوترینوهای خورشیدی، نوترینوهای کمتری با طعم مورد انتظار خود را اندازه‌گیری کرده‌اند.

نوترینوهای خورشیدی به ندرت با ماده تعامل دارند اما با شلیک پرتوهای ذرات به 731 کیلومتری از آزمایشگاه سرن به گران ساسو، فیزیکدانان توانستند این ذرات را در زمان تغییر طعم مشاهده کنند. یافته‌های این دانمشندان تائید کرده که نوع نوترینوها در زمان سفر از خورشید تغییر می‌کند.

- کشف زمین نوترینوها

نوترینوها شاید از خورشید منشا بگیرند اما همچنین از عناصر رادیواکتیو درون جبه زمین نیز تولید می‌شوند.

آزمایشگاه گران ساسو همچنین برخی از این ذرات موسوم به زمین نوترینوها را که در زمان تجزیه اورانیوم یا توریم رادیواکتیو شکل می‌گیرند، جداسازی کرده است.

این ذرات جدید می‌توانند میزان حرارتی را که درون زمین شکل گرفته و حرکت صفحات تکتونیکی را هدایت می‌کند، توضیح دهند. برای گرفتن این ذرات که از جبه زمین منشا می‌گیرند، محققان از یک مایع مبتنی بر نفت استفاده کردند که در زمان برخورد ذرات ریز اتمی با مایع می‌درخشد.

محققان زمین نوترینوها را شناسایی کردند چرا که آنها از خود یک پوزیترون و یک نوترون را در زمان برخورد با اتمهای مایع منتشر می‌کنند که یک نور خاص است.

- فروپاشی نوکلئون

اگرچه بسیاری از ذرات زیراتمی به ذرات دیگر تجزیه می‌شوند، تاکنون هیچ کس نتوانسته فروپاشی پروتونها یا نوترونها را که هسته اتم را تشکیل می‌دهند، مشاهده کند. فروپاشی نوکلئون توسط نظریه وحدت بزرگ پیش‌بینی شده که به دنبال توضیح همه چیز در فیزیک است.

برای کشف شواهدی در مورد این فروپاشی نادر، دانشمندان تجربه سوپر کامیوکانده در زیر کوه کامیوکای ژاپن چندین سال را به دنبال فروپاشی نوکلئون سپری کرده‌اند. حتی اگر بسیار بسیار طول بکشد که پروتونها تجزیه شوند، آشکارسازها باید بتوانند حداقل چند مورد از این رویدادها را شناسایی کنند. اگرچه تاکنون این آشکارساز هنوز نتوانسته شاهدی از فروپاشی پروتون را شناسایی کند.