کاشف اشباح کیهانی جایزه نوبل فیزیک را کسب کرد

به گزارش خبرنگار دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در دل تاریک و یخ‌زده قطب جنوب، جایی که هزاران متر یخ شفاف زیر پا گسترده شده و ماه‌ها خبری از طلوع خورشید نیست، دانشمندان به دنبال ذراتی می‌گردند که تقریباً از هیچ چیز عبور می‌کنند؛ ذراتی که نه با چشم دیده می‌شوند و نه به‌آسانی با آشکارسازهای معمولی شکار می‌شوند. فرانسیس هالزن، فیزیکدان بلژیکی-آمریکایی، برای تبدیل همین ایده نامعمول به یکی از بزرگ‌ترین رصدخانه‌های علمی جهان، جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۶ را دریافت کرد. 

آکادمی سلطنتی علوم سوئد جایزه را به هالزن، استاد دانشگاه ویسکانسین-مدیسن، «برای مشارکت‌های تعیین‌کننده در رصدخانه نوترینوی آیس‌کیوب و کشف نوترینوهای پرانرژی با منشأ اخترفیزیکی» اعطا کرد. این جایزه در واقع تقدیری از چند دهه تلاش برای گشودن پنجره‌ای تازه به سوی کیهان است؛ پنجره‌ای که این بار به جای نور، با نوترینوها به جهان نگاه می‌کند. 

ذراتی که تقریباً هیچ‌چیز جلودارشان نیست

نوترینوها از عجیب‌ترین ذرات بنیادی طبیعت‌اند. بار الکتریکی ندارند، جرمشان بسیار اندک است و برهم‌کنش آنها با ماده آن‌قدر ضعیف است که تعداد بسیار زیادی از آنها در هر لحظه از بدن انسان و حتی از کل زمین عبور می‌کنند، بی‌آنکه اثری قابل مشاهده بر جای بگذارند. به همین دلیل، در ادبیات علمی و رسانه‌ای اغلب از آنها با عنوان «ذرات شبح‌گونه» یاد می‌شود. 

اما همین ویژگی که شکار آنها را دشوار می‌کند، آنها را به پیام‌رسان‌هایی فوق‌العاده برای مطالعه کیهان تبدیل کرده است. بسیاری از ذرات پرانرژی دیگر در مسیر خود تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی منحرف می‌شوند و دیگر نمی‌توان مسیرشان را به‌سادگی تا منبع اصلی دنبال کرد. نوترینوها اما تقریباً بدون تغییر مسیر و با برهم‌کنش بسیار اندک در فضا حرکت می‌کنند؛ بنابراین می‌توانند اطلاعاتی مستقیم‌تر از محیط‌های بسیار خشن کیهانی به زمین برسانند. 

ایده‌ای که در یخ‌های قطب جنوب شکل گرفت

هالزن از سال ۱۹۸۸ ایده استفاده از یخ‌های قطب جنوب برای شکار نوترینوهای پرانرژی را مطرح کرده بود. منطق ساده اما جسورانه بود: اگر خود نوترینو به‌سختی دیده می‌شود، باید به دنبال ردپای بسیار نادر برخورد آن با ماده گشت.

وقتی یک نوترینو با هسته یک اتم برخورد می‌کند، می‌تواند ذرات دیگری ایجاد کند که در یخ حرکت کرده و جرقه‌ای بسیار ضعیف از نور تولید کنند. اگر بتوان این نور را ثبت کرد، می‌توان از روی آن درباره وجود، انرژی و مسیر تقریبی نوترینوی اولیه اطلاعات به دست آورد. 

اینجا بود که یخ قطب جنوب به بخشی از یک تلسکوپ عظیم تبدیل شد.

تلسکوپی که زیر یخ ساخته شد

ایده هالزن سرانجام به شکل‌گیری رصدخانه نوترینوی IceCube انجامید؛ سازه‌ای که در نگاه نخست بیشتر شبیه یک پروژه علمی تخیلی است تا یک تلسکوپ معمولی.

IceCube درون حدود یک کیلومتر مکعب از یخ‌های شفاف قطب جنوب ساخته شده است. هزاران حسگر نوری در عمق یخ قرار گرفته‌اند تا کوچک‌ترین نور ناشی از برخوردهای نادر نوترینوها را ثبت کنند. بخش‌هایی از آشکارساز تا حدود ۲۵۰۰ متر زیر سطح یخ قرار دارند. این رصدخانه در سال ۲۰۱۱ تکمیل شد. 

به این ترتیب، دانشمندان به جای آنکه یک آینه بزرگ را به سوی آسمان بگیرند، بخش عظیمی از یخ‌های قطب جنوب را به آشکارسازی غول‌پیکر تبدیل کردند؛ آشکارسازی که باید منتظر بماند تا یکی از گریزان‌ترین ذرات جهان سرانجام با ماده برخورد کند.

شکار نخستین پیام‌رسان‌های پرانرژی

سال ۲۰۱۳ نقطه عطف مهمی بود. IceCube نخستین شواهد از نوترینوهای پرانرژی با منشأ خارج از منظومه شمسی را اعلام کرد. این کشف نشان داد که می‌توان از نوترینوها نه فقط برای مطالعه فیزیک ذرات، بلکه برای مطالعه خود کیهان استفاده کرد. 

پس از آن، مسیر تازه‌ای در نجوم شکل گرفت: نجوم نوترینویی.

در این شیوه، دانشمندان دیگر فقط به نور ستارگان و کهکشان‌ها نگاه نمی‌کنند؛ آنها می‌کوشند پیام‌هایی را که نوترینوها از دل رویدادهای بسیار پرانرژی کیهانی با خود آورده‌اند نیز بخوانند. این رویدادها می‌توانند با سیاه‌چاله‌های پرجرم، کهکشان‌های فعال و دیگر محیط‌های بسیار خشن کیهانی ارتباط داشته باشند. 

رسیدن از دل یک ایده به یک همکاری جهانی

موفقیت IceCube حاصل کار یک نفر به‌تنهایی نبود. این پروژه به یک همکاری بین‌المللی بزرگ تبدیل شد و صدها دانشمند از کشورهای مختلف در آن مشارکت دارند. خود هالزن نیز هنگام دریافت خبر نوبل تأکید کرده که این دستاورد حاصل تلاش و سخت‌کوشی همکاران بسیار زیادی بوده است. همکاری IceCube اکنون حدود ۴۵۰ دانشمند از ۵۸ مؤسسه در ۱۴ کشور را دربر می‌گیرد. 

هالزن در واکنش به دریافت جایزه، این موفقیت را «جشن یک پروژه بسیار غیرمعمول» توصیف کرد و از جامعه علمی و همکارانی که در شکل‌گیری آن نقش داشتند، قدردانی کرد. 

این نگاه جمعی شاید یکی از مهم‌ترین بخش‌های داستان نوبل امسال باشد: جایزه به نام یک دانشمند ثبت شده، اما کشف و ساخت چنین رصدخانه‌ای بدون مهندسان، فیزیکدانان، متخصصان داده و ده‌ها گروه تحقیقاتی در نقاط مختلف جهان ممکن نبود.

چرا نوترینوها برای شناخت کیهان مهم‌اند؟

یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌های فیزیک کیهانی این است که پرتوهای کیهانی فوق‌پرانرژی از کجا می‌آیند و چه چیزی آنها را تا این اندازه شتاب می‌دهد؟

برخی از شدیدترین شتاب‌دهنده‌های طبیعی ذرات در جهان، در محیط‌هایی مانند اطراف سیاه‌چاله‌های پرجرم قرار دارند. اما مطالعه مستقیم منشأ پرتوهای کیهانی دشوار است، زیرا ذرات باردار در مسیر خود تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی منحرف می‌شوند.

نوترینوها از این نظر متفاوت‌اند. آنها می‌توانند از محیط‌های بسیار خشن کیهانی خارج شوند و مسیر طولانی خود را تا زمین طی کنند. بنابراین هر نوترینوی پرانرژی ثبت‌شده می‌تواند مانند یک پیام از یک رویداد دوردست باشد؛ پیامی که اطلاعاتی درباره محل و شرایط تولید آن در اختیار دانشمندان می‌گذارد. 

از قطب جنوب تا آینده نجوم

کار IceCube هنوز تمام نشده است. این رصدخانه در سال‌های اخیر نیز توسعه یافته و ارتقای IceCube برای بهبود توانایی آشکارساز در اندازه‌گیری انرژی و جهت نوترینوها انجام شده است. در مرحله بعد، طرح IceCube-Gen2 می‌تواند حجم آشکارسازی را به شکل چشمگیری افزایش دهد و امکان شکار تعداد بیشتری از نوترینوهای پرانرژی و حتی نوترینوهای کم‌انرژی‌تر را فراهم کند. 

به همین دلیل، نوبل فیزیک ۲۰۲۶ فقط درباره یک کشف گذشته نیست؛ درباره ابزاری است که ممکن است در سال‌های آینده پرسش‌های تازه‌ای درباره جهان مطرح کند.

شاید مهم‌ترین بخش داستان فرانسیس هالزن همین باشد: او به جایی رفت که در نگاه نخست تقریباً هیچ نشانه‌ای از یک تلسکوپ وجود نداشت؛ به اعماق یخ‌های قطب جنوب. اما در همان سکوت و تاریکی، دانشمندان توانستند ردپای ذراتی را ثبت کنند که از دورترین و خشن‌ترین گوشه‌های کیهان به زمین رسیده بودند.

و حالا، پس از چند دهه، ایده‌ای که زمانی بلندپروازانه به نظر می‌رسید، به یکی از مهم‌ترین ابزارهای شناخت جهان تبدیل شده است؛ تلسکوپی که آینه ندارد، اما با یخ می‌بیند و به جای نور، ذرات شبح‌گونه کیهان را شکار می‌کند.