چرا جهان پر از ماده است؟ نوترینوها ممکن است کلید پاسخ باشند

یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان این است که چرا پس از بیگ بنگ، ماده باقی ماند اما پادماده تقریباً ناپدید شد؛ نوترینوها شاید کلید این معما باشند.

به گزارش تکراتو و به نقل از arstechnica، هر آنچه در اطراف ما وجود دارد، از زمین زیر پا گرفته تا دورترین کهکشان‌ها، از ماده ساخته شده است. اما بر اساس نظریه‌های کنونی فیزیک، در لحظه بیگ بنگ باید ماده و پادماده به مقدار برابر به وجود می‌آمدند.

پس چرا امروز جهان ما تقریباً خالی از پادماده است؟ این سؤال سال‌هاست ذهن دانشمندان را مشغول کرده و هنوز پاسخی قطعی ندارد.

نقش نوترینوها در جهان

بسیاری از فیزیکدانان معتقدند پاسخ این معما باید در تفاوت‌های بسیار ظریف بین رفتار ماده و پادماده نهفته باشد. یکی از امیدوارکننده‌ترین مسیرهای تحقیق در این زمینه، بررسی نوترینوهاست؛ ذرات زیراتمی عجیبی که به سختی با سایر ذرات تعامل می‌کنند و از همین رو بسیار اسرارآمیز هستند.

جسیکا ترنر، فیزیکدان نظری در دانشگاه دورهام بریتانیا، می‌گوید که بسیاری از مدل‌هایی که می‌توانند عدم تقارن میان ماده و پادماده را توضیح دهند، به نوترینوها وابسته‌اند.

ماده، پادماده و تفاوت‌های آن‌ها

ماده همان چیزی است که جهان از آن ساخته شده؛ عمدتاً پروتون‌ها و نوترون‌ها که هسته اتم‌ها را می‌سازند و البته الکترون‌ها. پادماده تفاوت زیادی با ماده ندارد، جز اینکه بار الکتریکی آن معکوس است. برای مثال، پوزیترون هم‌جرم الکترون است اما بار مثبت دارد.

پادماده به صورت طبیعی در پرتوهای کیهانی، در ابرهای رعد و برق و در برخی واپاشی‌های رادیواکتیو تولید می‌شود. حتی در بدن انسان یا در موز، مقدار بسیار کمی پتاسیم رادیواکتیو وجود دارد که پوزیترون ساطع می‌کند.

دانشمندان نیز در شتاب‌دهنده‌های ذرات توانسته‌اند مقدار اندکی پادماده بسازند، اما هزینه و دشواری آن بسیار بالاست و بنابراین رؤیاهای علمی–تخیلی درباره موشک‌های پادماده‌ای یا سلاح‌های ویرانگر پادماده‌ای دور از واقعیت است.

هنگامی که ماده و پادماده به هم برخورد می‌کنند، یکدیگر را نابود کرده و انرژی آزاد می‌کنند. این فرآیند بر اساس معادله مشهور آلبرت اینشتین، یعنی E=mc² توضیح داده می‌شود. با این حال، چون پادماده به‌سادگی نابود می‌شود، امکان نگهداری مقدار زیادی از آن تقریباً وجود ندارد.

اما این مسئله همچنان باقی است: اگر ماده و پادماده در آغاز جهان به اندازه برابر وجود داشتند، چرا همه چیز نابود نشد و فقط انرژی باقی نماند؟ چرا هنوز ماده وجود دارد و جهان از آن ساخته شده است؟

نظریه استاندارد و محدودیت‌های آن

فیزیکدانان بر این باورند که در اوایل جهان فرآیندی رخ داده که تولید ماده را اندکی بیشتر از تولید پادماده کرده است. اما نظریه استاندارد فیزیک ذرات، که بهترین مدل کنونی برای توصیف ماده و انرژی است، نمی‌تواند چنین فرآیندی را توضیح دهد. همین موضوع باعث شده که دانشمندان به دنبال ایده‌های جدیدی باشند که فراتر از نظریه استاندارد باشند.

اینجاست که نوترینوها وارد میدان می‌شوند.

نوترینوها؛ ذرات کوچک اما کلیدی

نوترینوها ذراتی بسیار کوچک و بدون بار الکتریکی هستند. نام آن‌ها نیز به معنای «کوچک و خنثی» است. طبق نظریه استاندارد، نوترینوها باید بدون جرم باشند، اما آزمایش‌هایی از دهه ۱۹۹۰ نشان دادند که آن‌ها جرم بسیار کوچکی دارند؛ دست‌کم یک میلیون بار سبک‌تر از الکترون‌ها. همین ویژگی نشان می‌دهد که نوترینوها از چارچوب نظریه استاندارد فراتر می‌روند و می‌توانند سرنخ‌های جدیدی به دست دهند.

نوترینوها به سختی با ماده برهم‌کنش می‌کنند. در هر ثانیه حدود ۶۰ میلیارد نوترینو خورشیدی از هر سانتی‌متر مربع پوست بدن عبور می‌کنند، بدون اینکه حتی یک‌بار با اتم‌های بدن برخورد کنند. پدرو ماچادو، فیزیکدان در فرمی‌لب شیکاگو، می‌گوید به احتمال زیاد هیچ انسانی در طول زندگی‌اش حتی با یک نوترینو تعامل مستقیم نخواهد داشت.

با این حال، آزمایش‌ها نشان داده‌اند که نوترینوها می‌توانند در حین حرکت، نوع خود را تغییر دهند. سه نوع نوترینو وجود دارد: الکترونی، میونی و تائو. این پدیده که «نوسان نوترینو» نام دارد، یکی از عجیب‌ترین خصوصیات آن‌هاست و نشانه‌ای از تفاوت در جرم انواع مختلف نوترینو محسوب می‌شود.

تقارن CP و ارتباط آن با عدم تقارن ماده و پادماده

یکی از مفاهیم کلیدی در پژوهش‌های نوترینو، تقارن CP است. این تقارن ترکیبی از دو تقارن دیگر است: تغییر بار (C) که ماده را به پادماده تبدیل می‌کند و تغییر پاریته (P) که مانند تبدیل تصویر در آینه است. اگر تقارن CP نقض شود، یعنی ماده و پادماده دقیقاً یکسان رفتار نمی‌کنند.

نقض تقارن CP پیش‌تر در برخی مزون‌ها مشاهده شده بود، اما میزان آن بسیار کوچک بود و نمی‌توانست تفاوت عظیم میان ماده و پادماده در جهان را توضیح دهد. در سال ۲۰۲۵ نیز در برخورددهنده بزرگ هادرونی در سرن شواهدی از نقض CP در باریون‌ها به دست آمد، اما باز هم این اثر برای توضیح کل معما کافی نبود.

به همین دلیل نگاه‌ها به سمت نوترینوها چرخیده است. پرسش اصلی این است که آیا نوترینوها نیز تقارن CP را نقض می‌کنند و اگر چنین است، آیا شدت آن به اندازه‌ای هست که بتواند موازنه را در اوایل جهان برهم زده و سبب برتری ماده شود؟

آزمایش‌های بزرگ در راه

برای پاسخ به این پرسش، پروژه‌های عظیمی در حال اجراست. یکی از مهم‌ترین آن‌ها آزمایش نوترینوی عمیق زیرزمینی یا DUNE است که در آمریکا ساخته می‌شود و احتمالاً از سال ۲۰۲۹ آغاز به کار خواهد کرد.

در این پروژه، قدرتمندترین پرتو نوترینوی جهان از فرمی‌لب به آزمایشگاه سانفورد در داکوتای جنوبی فرستاده می‌شود؛ مسافتی حدود ۱۳۰۰ کیلومتر.

نوترینوها از درون زمین عبور می‌کنند و آشکارسازها در هر دو سوی مسیر رفتار آن‌ها را بررسی می‌کنند. اگر مشخص شود نوترینوها و پادنوترینوها رفتار متفاوتی دارند، این می‌تواند سرنخ بزرگی درباره منشأ برتری ماده در جهان باشد.

نوترینوهای راست‌دست و نظریه‌های جدید

برخی نظریه‌پردازان احتمال می‌دهند نوترینوها در دو شکل وجود داشته باشند: نوترینوهای سبک چپ‌دست (آنچه تاکنون مشاهده شده) و نوترینوهای بسیار سنگین راست‌دست که هنوز شناسایی نشده‌اند. این ذرات فرضی می‌توانند میلیون‌ها میلیارد برابر سنگین‌تر از پروتون باشند و به سرعت پس از تولد نابود شوند.

اگر چنین نوترینوهایی در لحظات نخست پس از بیگ بنگ وجود داشته باشند و در واپاشی خود به شکلی رفتار کنند که شبیه به نقض CP باشد، ممکن است ماده را بر پادماده ترجیح داده باشند. این می‌تواند توضیحی برای بقای ماده در جهان کنونی باشد.

نوترینو به عنوان پادنوترینوی خودش

فرضیه دیگری نیز وجود دارد: شاید نوترینو بتواند پادنوترینوی خودش باشد. در این صورت، نوترینوها می‌توانند به پادنوترینو تبدیل شوند و برعکس. برای آزمودن این ایده، فیزیکدانان به دنبال نوعی واپاشی رادیواکتیو کمیاب و نظری به نام واپاشی دوتایی بدون نوترینو هستند.

در این فرآیند، دو نوترون به دو پروتون و دو الکترون تبدیل می‌شوند، اما به جای آزاد شدن دو پادنوترینو، نوترینوها یکدیگر را نابود می‌کنند و فقط الکترون‌ها باقی می‌مانند.

پروژه‌های بزرگی در ژاپن، کانادا، اسپانیا و ایتالیا در حال جستجوی این پدیده هستند. هرکدام از این آزمایش‌ها از حجم زیادی ماده رادیواکتیو و آشکارسازهای بسیار حساس استفاده می‌کنند تا الکترون‌های غیرعادی ناشی از این واپاشی را ثبت کنند.

جمع‌بندی

نوترینوها هنوز از مرموزترین ذرات شناخته‌شده در فیزیک هستند، اما به تدریج رازهای خود را آشکار می‌کنند. اگر مشخص شود که آن‌ها واقعاً نقض تقارن CP ایجاد می‌کنند یا حتی می‌توانند پادنوترینوی خودشان باشند، ممکن است کلید حل یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان به دست آید: اینکه چرا جهانی سرشار از ماده داریم و نه انرژی خالص یا ترکیبی برابر از ماده و پادماده.

نوترینوهایی که هر لحظه بی‌وقفه از بدن ما عبور می‌کنند، شاید همان ذراتی باشند که میلیاردها سال پیش سرنوشت کیهان را رقم زده‌اند.