گزارش مسئله نوترینوی خورشیدی

چند ده سال از گزارش ری دیویس و همكارانش می‌گذرد و هنوز مسئله نوترینوی خورشیدی حل نشده است. دیویس و همكارانش در آشكارساز زیر زمینی خود در هوم استیك كمتر از نصف نوترینوهایی را مشاهده كردند كه نظریه‌دان‌ها انتظار داشتند. بحث پیرامون اهمیت این نتیجه گروه‌های مختلف، از مدل سازان سیاره‌ای گرفته تا فیزیك‌دان‌های ذرات بنیادی را به خود مشغول كرده و مهارت تجربی كارها را در ساختن انواع دیگر آشكار ساز به میدان خوانده است. آخرین اندازه‌گیری‌ها كه در اوایل ژوئن درست در آستانه كنفرانس بین المللی نوترینو در گرانادا اعلام شد، آمیزه‌ای از شگفتی ، شادی، بهت و سر درگمی را به همراه داشت.
در خورشید، چندین چشمه نوترینو وجود دارد. یكی از آن‌ها كه مستقیماً به درخشندگی خورشید مربوط است، برهم كنش هسته‌ای برخورد پروتون – پروتون (P-P) است. این بر هم كنش نوترینوی كم انرژی تولید می‌كند. منابع دیگر نوترینو در خورشید، بر هم كنش‌های هسته‌ای دیگری هستند كه نوترینوی پر انرژی تولید می‌كنند این منابع با آن كه با درخشندگی مشاهده شده سازگارند، ولی به نحو بارزی تابع جزئیات فرض‌های اختر فیزیكی هستند. بیست سال است كه مدل سازهای خورشیدی دلیل می‌آورند كه داده‌های خورشیدی كمبود نوترینوهای پر انرژی را تأیید نمی‌كنند و از این راه نمی‌توان نتایج دیویس را توضیح داد. بنابراین، باید توضیح مسئله را در بعضی ویژگی‌های خود نوترینو جستجو كرد. از سوی دیگر، شكاكان می‌گویند ببین و باور بكن؛ تا وقتی كه معلوم نشده است كه اشكال كار در شار نوترینویی است كه مستقیماً با درخشندگی خورشید مرتبط است باید در براوردهای اختر فیزیكی تردید كرد. به هر حال، هر دو طرف در اهمیت اندازه گیری‌ها حساس به نوترینوهای كم انرژی همرأی‌اند. از سال 1990 به بعد دو گروه بین المللی مشاهده نوترینوی كم انرژی خورشیدی را در بررسی تبدیلات اتفاقی هسته گالیم (به ویژه ایزوتوپ 〖71〗_Ga ) به ژرمانیم – 71، هدف قرار دادند. انرژی آستانه‌ای این برهم كنش KeV233 است. بنابراین باید نسبت به بخش بزرگی از شار p-p كه میان صفر و KeV420 تغییر می‌كند، حساس باشد. در جریان تكوین این همكاری‌ها، داده‌های دیگری از نوترینوی خورشیدی از آشكارساز ژاپنی كامیوكانده به دست آمد كه فوران‌های تابش چرنكف را در مخزن آب زیرزمینی اندازه می‌گیرد. چون كامیوكانده نوترینوهای حاصل از تجزیه بور -8 را كه نسبت به جزئیات فیزیك نجومی خورشید حساس است، آشكار سازی می‌كند؛ انتظار می‌رفت كه در مقایسه با آشكارساز هوم استیك، كمبود نوترینوهای پرانرژی بیشتری را آشكار كند. در عمل، عكس این حالت پیش آمد. این امر خیلی ها را متقاعد كرد كه در توجیه این ناسازگاری به جانب راه حل به اصطلاح MSW (میخایف – اسمیرنوف – ولفنستین) مایل شوند. در توجیه MSW، وجود جرم بسیار كوچك، اما غیر صفر نوترینو سبب می‌شود كه نوترینوها در داخل خورشید میان سه گونه شناخته شده – نوترینوی الكترون و نوترینوهای میون و تاو – نوسان كنند. كامیوكانده، بر خلاف آشكار ساز هوم استیك و آشكارسازهای جدید گالیم، حساسیت كمی نسبت به نوترینوی میون و تاو دارد؛ بنابراین اگر به نوترینو، جرم نسبت بدهیم – كه به معنای قبول فیزیك كاملاً جدیدی است – شار زیاد مشاهده شده در كامیو كانده قابل فهم خواهد بود. ظاهراً نتایج نخستین اندازه گیری‌های جدید كه، سال پیش به دست آمد حاكی از آن بود كه فیزیك‌دان‌ها دست نگه دارند. گروه روسی – امریكایی SAGE در رصدخانه نوترینویی باكسان، در قفقاز شمالی، برای كاوش بر هم كنش p-p ا از 30 تن گالیم فبزی مایع استفاده كرد. نتیجه شش ماه گرد آوری داده، شگفت آور بود: میزان نوترینوی مشاهده شده كسر كوچكی از میزانی بود كه انتظار می‌رفت، به طوری كه با در نظر گرفتن حدود خطاهای تجربی می‌شد آن را صفر به حساب آورد. مقیاس استاندارد، یكای نوترینوی خورشیدی(SNU) است و آن برابر است با احتمال 〖10〗^(-36) در ثانیه كه اتمی با نوترینو بر هم كنش انجام بدهد. مقدار پیش بینی شده در مدل پذیرفته شده خورشیدی در حدود 125 تا SNU132 است. نتایج SAGE در سال پیش مقداری برابر (32±) 2015 بود كه در آن خطای بیرون پرانتز خطای آماری و خطای داخل پرانتز خطای سیستماتیك است. تنها فیزیك جدید نوترینو چنین مقادیری را مجاز می‌داند. اما شرط احتیاط آن بود كه به انتظار دومین آزمون گالیم بنشینیم: آزمایش چند ملیتی گالكس با استفاده از 30 تن محلول گالیم كلراید (GaCl3) در تونل اتوموبیل‌رو گراندساسو انجام گرفت. در دوم ژوئن، این گروه دو مقاله برای انتشار به مجله فیزیكس لترز فرستادند و نتایج اولیه را اعلام كردند.
گالكس، چنانكه شایسته هر ابزار خیلی حساس است، وسیله پیچیده‌ای است. برای هر دور آزمایش (معمولاً سه هفته) محلول GaCl3 در یكی از دو مخزن (با لایه تفلون) نگهداری می‌شد. اتم‌های گالیمی كه به 〖71〗_Ge تبدیل شده بودند به صورت GeCl3 در محلول جا می‌گرفتند. GeCl4 كه فراتر از GaCl3است، در پایان هر دور آزمایش همراه گاز نیتروژن از محلول خارج و به ژرمن (GeH4) تبدیل می‌شد كه آن را به شمارشگرهای كوچك مخصوص (با زمینه كم) هدایت می‌كردند.
كارایی بازیافت Ge كه بیش از 99 درصد بود، هم به وسیله ژرمانیم پایداری كه به محلول افزوده شده بود سنجیده می‌شد و هم با ایزوتوپ‌های ناپایداری كه توسط چشمه‌های رادیواكتیو در محل به وجود آمده بود. زمینه مزاحم 〖68〗_Ge كیهانی (با طول عمر دراز) با بیش از 28 پالایش پی‌درپی حذف شد. قرار است كه در سال آینده مدرج سازی (كالیبراسیون) با یك چشمه نوترینوی هم جوار انجام شود. بر اساس 14 دور آزمایش (كه 6 دور آن كاملاً دیده بانی شده است)، گالكس شار نوترینو را SNU (8±) 19±83 گزارش كرد (خطاها به ترتیب آماری و سیستماتیك‌اند). این نتیجه تقریباً با همه نظریه‌هایی كه برای توضیح اختلاف ارائه شده‌اند سازگار است. شار بر هم كنش p-p را كیهان شناسان SNU74 تخمین زده‌اند در حالی كه مدل‌های خورشیدی مینیمال، كه در آن‌ها درخشندگی خورشید تنها به برهم كنش p-p نسبت داده می‌شود، شار نوترینو را SNU79 پیش بینی می‌كنند. این نتیجه، با احتساب دو انحراف معیار (σ2) با مدل استاندارد خورشید نیز همخوانی دارد. نتیجه گالكس با میانگین اندازه‌گیری SAGE بیش از σ2 فرق دارد، اما در ناحیه كوچكی از فضای پارامترهای مجاز آزمایش‌های دیگر، با تقریب σ1، با پیش بینی‌های MSW سازگار است.
نتیجه چیست؟ این برداشت فیزیك‌دان‌ها كه چون گالكس با پیش بینی شار p-p سازگار است پس اختر فیزیك‌دان‌ها را باید سرزنش كرد، شاید بیش از اندازه شتاب زده باشد. حتی مدل‌های فرضی‌ای كه در آن‌ها شار نوترینو‌های پر انرژی به دلخواه كم می‌شود، هنوز در خارج محدوده σ2ی آشكار ساز هوم استیك و تجربه گالیم قرار می‌گیرند. برای آنكه مدل‌های غیر استاندارد خورشید تأیید شود باید تجربه دیگری به نتیجه غلط برسد. پیش بینی MSW در محدوده σ1 انحراف معیار، با همه تجربه‌ها سازگار است منتها باید گوشه خاصی از فضای پارامترها را در نظر گرفت. GALLEX و SAGE هنوز ناسازگارند و تا هنگامی كه این ناسازگاری از میان نرود هیچ استنتاج پابرجایی از این داده‌ها نمی‌توان كرد. به این سبب، در میان كسانی كه در گرانادا گردهم آمده بودند، از همه راحت‌تر شاید تجربی كارهایی بودند كه با آشكارسازهای آب سنگین كار می‌كنند. نتایج GALLEX به وضوح ثابت می‌كند كه منبع انرژی خورشید بر هم كنش p-p است، و مسئله نوترینوی خورشیدی همچنان ناگشوده است.