نوترینوهای خورشیدی و حل احتمالی معمای آن

دو فیزیكدان روسی، نظری ارائه كرده‌اند كه ظاهراً طبیعی‌ترین و محتملترین توضیح معمای نوترینوهای گمشده خورشیدی به شمار می‌آید. سازوكاری كه آنان پیشنهاد می‌كنند مستلزم هیچ ذره عجیب و غریب تازه‌ای نیست، هیچ نیروی مشاهده نشده جدیدی را مفروض نمی‌شمارد و با هیچ تغییری در مدل متعارف هسته خورشید همراه نیست.
س . پ . میخایف وا . ی . اسمیرنوف از انستیتوی تحقیقات هسته‌ای آكادمی علوم شوروی در مسكو به پدیده‌ای در كنش‌های ضعیف متداول توجه كرده‌اند كه قبلاً به آن غنایتی نمی‌شد. به بیان ساده، نوترینوهای نوع الكترونی، كه در هسته خورشید به وجود می‌آیند، در داخل خورشید به نوترینوهای نوع میونی تبدیل می‌شوند. مشاهده این ذرات تبدیل یافته هنوز بر روی زمین میسر نیست. میخایف و اسمیرنوف نتایج كار خود را سال گذشته در كنفرانسی در فنلاند اعلام كردند ولی این نتایج تا بهار امسال مورد توجه قرار نگرفت. در بهار امسال، هانس بته از دانشگاه كرنل در مقاله‌ای در مجله Phys Rev Lett توجه فیزیك‌دانان را به آن جلب كرد. بته می‌گوید به عقیده من، این نخستین توضیحی است كه می‌تواند درست باشد. گفته بته، بازتاب نظری است كه مقبول طبع همكاران او افتاده است. و یك هكستن، فیزیك‌دانی از دانشگاه واشینگتن، می‌گوید حالا كه به عقب نگاه می‌كنیم، كمی عجیب به نظر می‌رسد كه این ساز و كار، این همه وقت مورد توجه قرار نگرفته بود.
از عمر مسئله نوترینوی خورشیدی تقریباً دو دهه می‌گذرد. مطابق نظر متعارف، واكنش‌های هسته‌ای در هسته خورشید با آهنگ معین قابل محاسبه‌ای نوترینو تولید می‌كنند. این نوترینوها، آزادانه از میان لایه‌های بیرونی خورشید می‌گذرند، و در روی زمین می‌توان آن‌ها را مشاهده كرد. اما ظاهراً نظر متعارف اشكالی دارد. آشكار سازی كه ریموند دیویس، از آزمایشگاه ملی بروكهیون، برای نوترینوهای خورشیدی ساخته است از 1968 تاكنون در معدن طلای هوم استیك در ایالت داكوتای جنوبی مشغول كار بوده و مرتباً شار نوترینوی خورشیدی را اندازه گرفته است. این شار فقط یك سوم مقداری است كه پیش بینی شده است.
بنابراین فقط دو راه حل در مقابل نظریه پردازان وجود داشته است. یا در خورشید، نوترینو با آهنگ پیش‌بینی شده تولید نمی‌شود و یا این ذرات به نحوی در میان راه گم می‌شوند.
برای مورد اول، واقعاً دلیل مقبولی نمی‌توان آورد، زیرا مدل متعارف خورشید بر فیزیك هسته‌ای كاملاً شناخته شده‌ای مبتنی است و با موفقیت توانسته است میان جرم و تركیب شیمیایی خورشید از یك سو و درخشندگی و طول عمر آن از سوی دیگر ارتباط برقرار كند. بیان دقیق‌تر مورد دوم این است كه چون آشكارساز هوم استیك تنها نسبت به نوترینوهای الكترونی بعضی از واكنش‌های پرانرژی حساس است، پس این نوترینوهای الكترونی پرانرژی‌اند كه در میان راه گم می‌شوند. اما كجا؟
پاسخی كه میخایف و اسمیرنوف داده‌اند بر این نكته مبتنی است كه هر نوترینو هنگام عبور از ماده معمولی، با احتمال اندكی در اثر برهم كنش‌های ضعیف پراكنده می‌شود. این اثر، در مورد نوترینوهای میونی و تاؤ قابل اغماض است. ولی، چنانكه نخستین بار لینكلن ولفن استاین از دانشگاه كارنگی – ملون در سال 1978 نشان داد، پیامدهای آن برای نوترینوهای الكترونی كاملاً فرق می‌كند: رفتار این ذرات چنان است كه گویی جرمشان به اندازه كمی كه متناسب با چگالی ماده مجاور است، افزایش یافته است.
میخایف و اسمیرنوف پی بردند كه این اثر بسیار كوچك، در نواحی مركزی خورشید كه چگالی در آنجا بیش از 130 گرم در سانتی متر مكعب است، می‌تواند به نتایجی بزرگ بینجامد. در این نواحی جرم یك نوترینوی الكترونی ممكن است عملاً از جرم نوترینوی میونی بیشتر شود. علاوه بر این، یك نوترینوی الكترونی ضمن عبور از قسمت‌های رقیق‌تر بیرونی عملاً به یك نوترینوی میونی تبدیل می‌شود و در نتیجه در آشكارساز هوم استیك قابل مشاهده نخواهد بود.
البته تحقق این سازوكار بسته به آن است كه نوترینوها بدواً دارای جرم كمی باشند. به علاوه لازم است كه نوترینوهای الكترونی و میونی تا اندازه‌ای با هم بیامیزند، یعنی با احتمال معینی یك نوع نوترینو در حین حركت بتواند به نوع دیگر تبدیل شود (نوسان نوترینوها). هیچ یك از این دو پدیده در آزمایشگاه مشاهده نشده است، اما نظریه‌های وحدت بزرگ بر هم كنش‌های ذرات، هر دو را پیش بینی می‌كنند. بته و دیگران سازوگاری نظریه میخایف و اسمیرنوف را با داده‌های آشكارساز هوم استیك مفروض شمردند و جرم نوترینوی میونی را چیزی كمتر از 008ر0 الكترون ولت و امكان آمیختن آن‌ها را كمتر از 1 درصد براورد كردند. این هر دو رقم در حدود نتایجی است كه از نظریه‌های وحدت بزرگ به دست می‌آید.
متأسفانه مشاهده اثرهایی به این كوچكی در آزمایشگاه فوق العاده دشوار است. اما برخی از پیش بینی‌های نظریه میخایف – اسمیرنوف را می‌توان به كمك آشكارسازی برای نوترینوهای خورشیدی كه از گالیوم ساخته شده باشد، آزمود. چنین پروژه‌ای چندین بار پیشنهاد شده ولی هیچوقت حمایت مالی نیافته است. به گفته پاؤل لانگاكر از دانشگاه پنسیلوانیا، این پروژه سال‌هاست كه مستحق حمایت مالی است و امروز اهمیت آن بسیار بیشتر شده است.