سفر ۱۱ دقیقه‌ای به اعماق زمین برای شکار اشباح کیهانی

ایندیپندنت فارسی: در دل کوه‌های داکوتای جنوبی در ایالات متحده آمریکا، هر روز صبح تعدادی از معدنچیان و مهندسان راهی سفری هیجان‌انگیز به عمق ۱.۵ کیلومتری زمین می‌شوند. سفری ۱۱ دقیقه‌ای شبیه به داستان علمی‌‌تخیلی «سفر به مرکز زمین» ژول‌ ورن، که آن‌ها را به آزمایشگاه تحقیقاتی زیرزمینی سندفورد (SURF) می‌رساند؛ جایی که قرار است طی سال‌های آینده به یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های علمی‌ــ‌مهندسی تاریخ ایالات متحده آمریکا تبدیل شود و می‌خواهد به یکی از بنیادی‌ترین پرسش‌های انسان پاسخ دهد: «ما در این نقطه از گیتی چه می‌کنیم؟»

نیویورک تایمز با انتشار گزارشی در این زمینه، با معرفی پروژه عظیم «آزمایش‌های زیرزمینی نوسان‌های نوترینو» (Deep Underground Neutrino Experiment) یا «دون» (DUNE) می‌نویسد، هدف این پروژه عظیم بررسی نوترینوها، ذراتی عجیب و فراری، است که تقریبا هیچ جرمی ندارند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند.

یکی از شگفت‌انگیز‌ترین نمونه‌های آشکارسازی ذرات شبح‌مانند نوترینو ثبت یک نوترینو پرانرژی در ۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷ بود که پس از طی یک سفر حدود پنج میلیارد ساله، در یخ‌‌های رصدخانه‌ نوترینو آیس‌کیوب در ایستگاه قطب جنوب آمونسن‌ــ‌اسکات به دام افتاد.

نوترینوها به‌راحتی از دل سنگ‌ها عبور می‌کنند و به همین دلیل آشکارسازی و بررسی آن‌ها بسیار دشوار است. با این حال، دانشمندان امیدوارند که پروژه «دون» بتواند به کمک یک شتاب‌دهنده ذرات در آزمایشگاه فرمی واقع در نزدیکی شیکاگو، به این ذرات دست یابد و رازهای ناشناخته‌ای از پیدایش گیتی را کشف کند.

نوترینوها می‌توانند از هر چیزی در سراسر گیتی عبور کنند. کافی است تصور کنیم که سدی به قطر یک سال نوری از سرب یعنی به ضخامت حدود ۹ تریلیون کیلومتر سرب قادر است فقط حدود نیمی از نوترینوهای عبوری از خود را متوقف کند و شاید به همین دلیل است که کیهان‌شناسان نوترینوها را «ذرات شبح» می‌نامند.

در این پروژه، شتاب‌دهنده آزمایشگاه فرمی در هر ثانیه تریلیون‌ها نوترینو تولید خواهد کرد و آن‌ها را به سوی داکوتای جنوبی خواهد فرستاد. این ذرات در بستر جامد زمین بدون نیاز به تونل از میان سه ایالت عبور خواهند کرد.

هدف این پروژه این است که بتواند با اندازه‌گیری رفتار نوترینوها و همتای پادذره‌ای آن‌ها، یعنی آنتی‌نوترینوها، به تفاوت‌های احتمالی میان این دو پی ببرد. دانشمندان بر این باورند که کشف این تفاوت‌ها می‌تواند توضیحی برای این پرسش باشد که چگونه پس از مهبانگ (بیگ‌بنگ)، ماده‌ اندکی بیشتر از پادماده تولید شد و به این ترتیب گیتی ما به وجود آمد.

پروژه یادشده به دو مخزن عظیم نیاز دارد که هر کدام ۱۷ هزار تن آرگون مایع با دمای بسیار پایین را در خود جای خواهند داد. این مخازن درون دو حفره غول‌پیکر که به اندازه یک ساختمان هفت طبقه ارتفاع دارند، قرار خواهند گرفت. هنگامی که نوترینویی با یکی از اتم‌های آرگون برخورد کند، یک درخشش کوچک از نور و یک سیگنال الکتریکی ایجاد می‌شود که حسگرهای دقیق «دون» آن‌ها را ثبت خواهند کرد. این رویداد بسیار نادر است و برای بررسی و مطالعه دقیق رفتار نوترینوها باید بارها و بارها تکرار شود.

پروژه «دون» از آغاز تاکنون با چالش‌های بزرگی مواجه بوده است. هزینه‌های پیش‌بینی‌نشده، تاخیر در اجرا و نیاز به به‌روزرسانی زیرساخت‌های آزمایشگاه‌ها تنها بخشی از این مشکلات بوده‌اند. با این حال، تلاش‌های پیوسته تیم‌های علمی و مهندسی امیدها را زنده نگه داشته است. با اینکه پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهند که اولین مرحله از این پروژه تا سال ۲۰۴۰ به پایان نخواهد رسید، اهمیت علمی آن به‌قدری است که متخصصان این حوزه بر ادامه و تکمیل آن اصرار دارند.

به‌تازگی یک گروه برجسته از فیزیکدانان ذرات این پروژه را به‌عنوان یکی از اولویت‌های برتر دهه آینده معرفی کرده‌اند. این اقدام نه‌تنها تاییدی بر اهمیت این پروژه است، بلکه نشان می‌دهد که ایالات متحده همچنان قصد دارد در زمینه فیزیک ذرات در جهان پیشرو باشد.

به گفته کارشناسان، موفقیت پروژه شکار اشباح کیهانی می‌تواند به کشف ماهیت اسرارآمیز ماده تاریک و انفجارهای کیهانی کمک کند. افزون بر این، پروژه یادشده فراتر از فناوری پیشرفته و تحقیقات پیچیده آن، ممکن است به یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌های بشر پاسخ دهد: «چرا ما وجود داریم؟