نوترینوی خیال‌انگیز

نکته‌ی چشم‌گیری که در این مقاله، صرف نظر از جنبه‌های علمی محض آن، وجود دارد توجه به پشت‌کار و ازخود گذشتگی علمی دانشمندان برای کار در شرایط سخت در طی سالیان دراز بدون چشم‌داشت مادی است. ری دیویس، هر بازدید کننده‌ای را به آزمایشگاه خود نمی‌برد، شاید به این دلیل که برای رسیدن به آن جا باید سوار بر قفس‌های متحرک معدن، با سرعت سی و دو کیلومتر در ساعت تا عمق هزار و شش‌صد متری در زمین فرو روید و سپس چند صد متر با زحمت در تونل کثیفی راه بروید و بعد از میان جایی شبیه دریچه‌ی ریردریایی رد شوید. آن جا میان اتاق غارمانندی که از میان صخره‌ها بیرون آمده است همه‌ی شادی و افتخار ری دیویس قرار دارد. برای دیدن بزرگ‌ترین دستگاه قرار گرفته در اعماق زمین تلاش تمام عیار زیادی انجام می‌گیرد.
مخزن فلزی ساده‌ای به طول چهارده و چهار دهم متر پوشیده از زنگار زیر تپه‌های بلاک هیل در داکوتای جنوبی در معدن طلای هوم استیک، نزدیک شهر ددوود، مدفون شده است. در این سرزمین تا صدها کیلومتر از هر سو جمعیت کاملاً پراکنده شده است و این اتاق زیر زمینی یکی از دسترس‌ناپذیرترین سایت‌های ذخیره‌سازی امریکاست و مثلاً از نظر امنیت در مقابل موشک‌های هسته‌ای، بسیار کامل است، چنان که برای صد هزار گالن مایع تمیز کننده‌ی دیویس نیز کامل است. طشت حاوی ماده‌ی پاک کننده‌ی لکه‌ی دیویس، به رغم ظاهر ساده‌ی خود، شاهکار فوق‌العاده‌ای می‌کند: این طشت، نوترینوها را هنگامِ به سرعت گذشتن از صخره‌ی جامد، از مسیرشان بیرون می‌کشد. این کار به هیچ رو آسان نیست. نوترینوها ذره‌های خیالی طبیعت‌اند. آن‌ها دانه‌های بدون جرم ماده هستند که با سرعت نور عالم را در می‌نوردند، یا این که شاید تقریباً بدون جرم‌اند و با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند، هنوز این امر بر کسی معلوم نیست. اما در هر دو صورت، نوترینوها چنان نامحسوس‌اند که وقتی به شیء جامدی می‌رسند ظاهراً مشاهده نمی‌شوند. در واقع هنگام خواندن این سطور، صدها بیلیون نوترینو از بدن شما و از زمین می‌گذرند.
علت گریز نوترینوها با چنین رفتار نامأنوسی آن است که آن‌ها برخلاف الکترون‌ها، کوارک‌ها، یا دیگر ذره‌های بنیادی، تحت تأثیر نیروی الکترومغناطیسی یا هسته‌ای قوی‌ای که عامل تمام برهم کنش‌های ذره‌ای است، قرار نمی‌گیرند. و درست به همین دلیل است که اخترشناسان و فیزیک‌دانان آرزوی تسلط بر آن را دارند. نوترینوها فارغ از این نیروهای کوبنده، تنها موجوداتی هستند که می‌توانند راه خود را مستقیماً از میان هسته‌ی چگال خورشید – جایی که بیش‌تر نوترینوهای رسیده به زمین از آن جا می‌آیند – باز کنند. نوترینوها کم‌تر از دو درصد انرژی خورشید را دارند، بقیه‌ی انرژی به صورت امواج الکترومغناطیسی می‌تابد. اما تمام این امواج یا نور در سطح خورشید تولید می‌شود. ازاین رو این جریان نوترینو که به ما می‌رسد تنها پیامی است که پژوهشگران از قلب گرما هسته‌ای خورشید دریافت می‌دارند.
متأسفانه مدت‌های مدیدی است که این پیام مطابق با انتظار فیزیک‌دانان نبوده است. مسأله آن است که کارخانه‌ی نوترینوسازی خورشید به اندازه‌ی ظرفیتش تولید نمی‌کند. دست کم این نتیجه‌ای است که مخزن دیویس نشان می‌دهد. چند ده سال است که نوترینوهای گرفته شده توسط این مخزن بسیار کم‌تر از حدی است که بنا به عقیده‌ی نظریه‌پردازان باید گرفته می‌شد. برای این اختلاف، دو تبیین وجود دارد: یا تجربه‌ی دیویس نادرست است و یا نظریه‌پردازان واقعاً نمی‌دانند درون خورشید چه می‌گذرد. اما بعد از آزمودن تمام راه‌های ممکن برای اصلاح آزمایش یا نظریه برای به توافق رساندن آن‌ها، پژوهشگران با دست خالی بازگشتند.
مسأله‌ی نوترینوهای گم شده به یکی از رازهای ناگشوده‌ی اخترشناسی و فیزیک تبدیل شد، و شکست در این مورد بسیار آزاردهنده بود. جان باکالِ اختر فیزیک‌دان اظهار داشت: «چیزی وجود داشت که ما نمی‌فهمیدیم و طبیعت، پیوسته آن را در برابر ما قرار می‌داد.»
باکال و دیویس چند دهه در مورد مسأله‌ی نوترینوی خورشیدی با هم همکاری می‌کرده‌اند. آن‌ها زوج متفاوتی بودند. باکال نظریه پردازی بود که در فضای معادله‌ها تنفس می‌کرد و بیش‌تر اوقات خود را به تنهایی و در حال تفکر در محوطه‌ی انجمن پژوهش‌های عالی پرینستون در نیوجرسی می‌گذراند. اما دیویس شخصی اهل عمل و تجربه بود که دو روز در هفته را در دانشگاه پنسیلوانیا، مقر سازمانی‌اش، می‌گذراند و در واقع از قدم زدن در تونل‌های مرطوب، با کلاه ایمنی و کفش پنجه آهنین و حمل کردن ظرف نیتروژن مایع بیست و پنج کیلوگرمی لذت می‌برد.
دیویس و باکال هیچ یک بدون تلاش دیگری نمی‌توانستند پیش‌رفتی داشته باشند؛ مسأله‌ی نوترینوی خورشیدی فقط به صورت آمیزه‌ای از مطالب نظری و کارهای تجربی می‌تواند وجود داشته باشد. دیویس اظهار داشت: «زنده نگاه داشتن این موضوع به مدت بیست سال را مدیون باکال هستم.» در مقابل باکال در مقالات و صحبت‌هایش کارهای تجربی دیویس را «زیبا» می‌نامید. اینک شاید تلاش طولانی آن‌ها به نقطه‌ی اوجی رسیده باشد. بنا بر نظریه‌ی نسبتاً جدیدی که با تعداد کمِ نوترینوهای به دست آمده سازگار است، نه آزمایش‌های دیویس به تصحیح نیاز دارند و نه محاسبات باکال؛ در عوض، متخصصان فیزیک ذره‌ای باید به پای تخته سیاه برگردند. به طور اخص این نظریه بر آن است که نوترینوهای خورشیدی می‌توانند خود را به صورت نوترینوهای گریزپذیرتر تبدیل کنند و در نتیجه در مایع پاک کننده‌ی دیویس دیده نمی‌شوند. بدین ترتیب نظریه‌ی استاندارد فیزیک ذره‌ای مطرود می‌شود. در واقع با این دید، قلمرو جدیدی از فیزیک آشکار می‌شود که بسیار فراتر از حد دسترسی بیش‌تر شتاب دهنده‌های ذره‌ی امروزی است.
این امکان، معجزه‌ی کوچکی در اتاقک مرطوب دیویس پدید آورد: جادویی شدنِ فیزیک زیرزمینی. طی چندین سال گذشته چندین تیم پژوهشی میلیاردها دلار خرج مدفون کردن ظرف‌های بزرگ مواد مدفون در اعماق زمین کرده‌اند تا ببینند چه اتفاقی می‌افتد، اما تعقیب ردپای نوترینوهای گم‌شده به ایجاد صنایع بسیار سریع‌الرشدی در فیزیک تجربی انجامیده است.
وجود نوترینو ابتدا در دهه‌ی 1930 میلادی پیشنهاد شد، یعنی وقتی که فیزیک‌دانان دریافتند واپاشی نوترون به الکترون و پروتون شامل اتلاف اندازه حرکت (تکانه) و انرژی است و این امر با هیچ یک از قانون‌های شناخته شده‌ی فیزیکی توجیه نمی‌شد. ولفگانگ پاولی، نظریه‌پرداز معروف، نتیجه گرفت که ذره‌ی مجهولی به نوعی با این اتلاف اندازه حرکت و انرژی مربوط است. فیزیک‌دانان چگونه می‌توانستند این ذره‌ی سرگردان را بیابند. بنا به نظر انریکو فرمی، فیزیک‌دان ایتالیایی، دانشمندان قادر به این کار نبودند. فرمی این ذره‌ی مرموز را نوترینو، یعنی «ذره‌ی خنثای کوچک» نامید و محاسبات او نشان داد که برهم کنش نوترینوها با ماده، یک میلیار میلیارد بار ضعیف‌تر از برهم کنش الکترون است.
محاسبات فرمی درست، ولی نتیجه‌گیری او نادرست بود. در اواخر دهه‌ی 1950 میلادی، پژوهشگرانِ رآکتور هسته‌ای ساوانا ریور در کارولینای جنوبی نوترینو را «دیدند». آن‌ها رشته‌ای از برهم کنش‌های ذره‌ای نادر را دیدند که تنها قابل انتساب به نوترینوی خارج شده از رآکتور بود.
در این میان، اخترفیزیک‌دانان مدلی برای داخل خورشید پی‌ریزی کرده بودند. بر اساس این مدل، خورشید به نحو حیرت‌آوری سازنده‌ی نوترینوست. مطابق با این نظریه‌ی استاندارد، تمام نوترینوهای خورشیدی حین گداخت هیدروژنی به وجود می‌آیند. گداخت هیدروژنی ساده‌ترین شکل گداخت است و درخشش خورشید از این فرایند ناشی می‌شود. در این واکنش دو هسته‌ی هیدروژن با دو پروتون برخورد پیدا می‌کنند و بر اثر گداخت، نوترینویی بیرون می‌دهند که انرژی نسبتاً کمی در حدود چهار صد و بیست هزار الکترون ولت دارد. این نوترینوها بدون تأثیرپذیری از خورشید می‌گذرند و وارد فضا می‌شوند. تنها بخش اندکی از آن‌ها به سوی زمین می‌آید. اما چون خورشید در هر ثانیه شش‌صد میلیون تن هیدروژن می‌سوزاند، آهنگ تولید نوترینو، دویست تریلیون تریلیون عدد در ثانیه است و زمین با تعداد زیادی از این نوترینوها مواجه می‌شود.
دیویس که به نادرستی تصور می‌کرد که اندازه‌گیری‌های نوترینو می‌تواند تصویر او از خورشید را تأیید کند، در سال 1955 وسیله‌ای برای آشکار کردن نوترینوهای pp (پروتون – پروتون) ساخت. آشکارساز او که در آزمایشگاه ملی بارکهاوزن ساخته شده بود، حاوی هزار گالن ترکیب کلردار بود. اندیشه‌ی اصلی این بود که نوترینوی گذرنده می‌تواند با اتم کلر برخورد پیدا کند و یکی از نوترینوهای اتم کلر را به پروتون و الکترون تجزیه کند و بدین صورت، کلر را به شکل آرگون رادیواکتیو درآورد.
دیویس بر روی واکنش کلر به آرگون متمرکز شد زیرا انرژی پیوندی هسته‌ای آرگون رادیواکتیو اندکی بیش‌تر از انرژی پیوندی هسته‌ای کلر است و برای راه‌اندازی این واکنش تحریک زیادی لازم نیست و اندک انرژی نوترینو برای تبدیل مقداری کلر به آرگون کافی است. گاز آرگون حاصل، از ترکیب کلردار خارج می‌شود و در آشکارسازی قرار می‌گیرد که تعداد اتم‌های آرگون در نمونه را با شمارش هر واپاشی رادیواکتیو اندازه می‌گیرد.
این طرح معقول به نظر می‌رسید تا این که دیویس به مطالعه بر روی نکاتی پرداخت که برایش غریب بود؛ فقط یک نوترینو از هر یک بیلیون تریلیون نوترینوی گذرنده از آشکارساز، با اتم کلر واکنش نشان می‌داد. در این بین، دیگر تابش‌های کیهانی، نظیر پرتو گاما، که مؤثرترند با کلر ترکیب می‌شوند و بخشی از آن را به آرگون تبدیل می‌کنند و مانع از به دست آمدن نتیجه می‌شوند. اما پرتو گاما فاقد توانایی نوترینو در نقب زدن در لایه‌های ضخیم صخره و خاک است. بنابراین دیویس آشکارساز خود را شش متر زیر زمین دفن کرد تا جلو تابش‌های کیهانی را بگیرد. او گفت: «من واقعاً انتظار نداشتم چیزی ببینم، تابش زمینه‌ی کار بیش از اندازه زیاد بود و انرژی نوترینوی pp بسیار اندک.»
متأسفانه حق با دیویس بود: نوترینوهای pp ضعیف‌تر از آن بودند که بتوانند کلر را به آرگون تبدیل کنند و آشکارساز او شکست خورد. او آماده بود که همه چیز را فراموش کند تا این که در سال 1958 نظریه‌پردازان مطلبی را مطرح کردند که می‌توانست همه چیز را دگرگون کند: آن‌ها گفتند خورشید نوترینوهای دیگری تولید می‌کند که بسیار انرژی‌دارترند. بر طبق این نظریه، بعد از گداخت پروتون‌ها در هسته‌ی خورشید، زوج‌های گداخت یافته هم‌چنان با دیگر پروتون‌ها واکنش می‌کنند و محصول نهایی این گداختِ هیدروژنی، هلیوم است. نظریه‌پردازان این موضوع را قبلاً می‌دانستند ولی تمام واکنش‌های ثانوی را در نظر نمی‌گرفتند. معلوم شد که پانزده درصد از این هسته‌های هلیوم با هسته‌ی هلیوم دیگری گداخت می‌یابند و بریلیوم تشکیل می‌دهند. آن‌گاه برخی از این هسته‌های بریلیوم به صورت هسته‌های بور 8 و یک نوترینو واپاشی می‌یابند که این نوترینو چهارده میلیون الکترون ولت یا سی برابرِ نوترینوی pp انرژی دارد. نوترینوهای بور 8 بیش از اندازه‌ی لازم برای تبدیل کلر به آرگون، و نشان دادن آن در آشکار ساز، انرژی دارند، منتهی به شرط آن که خورشید به مقدار کافی از این نوترینوها تولید کند. دیویس بیان داشت: «کشف بور 8 همه چیز را تغییر داد. اما سؤال این بود که: آیا واکنش بور 8 هر چند وقت یک بار رخ می‌دهد؟»
در سال 1962 میلادی، دیویس نامه‌ای به باکال، که در آن موقع در اختر فیزیک شهرتی یافته بود، نوشت، و از او پرسید که آیا مایل است برای مسأله‌ی بور 8 پاسخی نظری بیابد. باکال وارد میدان شد و در نهایت محاسبه کرد که از هر پنج هزار هسته‌ی بریلیوم، یک هسته به صورت بور 8 وامی‌پاشد و یک نوترینو آزاد می‌کند. او به دیویس اطلاع داد که اگر در آشکارساز خود در حدود صد هزار گالن ترکیب کلردار داشته باشد می‌تواند انتظار داشته باشد که حدود هشت نوترینو به دست آورد. این مقدار ترکیب کلردار بسیار زیاد بود و ظاهراً آزمایش، ارزش انجام دادن نداشت مگر این که دست‌کم هشت نوترینوی ناقابل در روز به دست می‌آمد.
دیویس که می‌دانست آزمایش او به محافظت زیادی در برابر تابش‌های کیهانی نیاز دارد به جستجوی معادن پرداخت و خیلی زود با هوم استیک به توافق رسید. آشکارساز او که اساساً متشکل از مخزن حاوی پرکلر اتیلن، مایع معمول در خشک‌شویی، بود در سال 1967 تکمیل شد و پر کردن این مخزن باعث شد که میزان مایع تأمین شده برای کشور به صورت چشم‌گیری کاهش یابد. این آزمایش، بیست مخزن قطاری، مصالح مصرف می‌کرد که تقریباً معادل با مصرف روزانه‌ی ایالات متحده‌ی امریکاست. مردم، این بحران بالقوه‌ی کمبود مایع خشک‌شویی را تحمل کردند و مدتی بعد در همان سال، دیویس شمارش نوترینوها را آغاز کرد. میزان نوترینوی خورشیدی تولید شده، یک دوازدهمِ مقدار پیش‌بینی شده توسط باکال بود، یعنی برابر بود با تقریباً دو سوم نوترینو در سال.
از چند دهه‌ی پیش، دیویس هر دو ماه یک بار به معدن می‌رفت تا میزان آرگونی که نوترینوها را فراهم می‌کند به دست آورد. چهار روز چهارده ساعته‌ی ابری، دیویس و دستیارانش، که مهم‌ترینِ آنها اختر فیزیک‌دانی از دانشگاه پنسیلوانیا به نام کنت لاند بود، مایع را از مجموعه‌ای از ظرف‌های گرم کننده، سرد کننده، و صاف کننده گذراندند و از صدای سوت‌های صفحه‌ی کنترل به ستوه آمدند، صفحه‌ی کنترلی که متعلق به فیلم‌های علمی – تخیلی دهه‌ی 1950 میلادی بود. دیویس گفت: «وقتی این دستگاه را خریدم از دور خارج شده بود، اما هنوز کار می‌کند. حاصل این همه زحمت، یک دهم سانتیمتر مکعب گاز آرگون است که طی سالیان شمارش نوترینوهای دیویس را تنها به نیم نوترینو در روز رسانده است.»
طی این سال‌ها باکال تمام راه‌های متقاعد کننده‌ی نظری برای تبیین کم بودن نوترینوهای خورشید را آزموده بود. آیا واکنش‌های هسته‌ای بر اثر آشفتگی‌های خورشید تغییر می‌یابند؟ آیا ترکیب شیمیایی خورشید با آن‌چه فرض می‌شود تفاوت زیادی دارد؟ آیا ذره‌ی مجهولی مسیر نوترینوهای خورشیدی را سد می‌کند؟ باکال می‌گوید: «در هر صورت، این پیشنهادها بیش از آن که باعث حل مسأله شوند بر مسائل موجود می‌آفزایند.» در این ضمن باکال پیوسته مدل‌های خود را تغییر می‌داد تا هر فرایند جدیدِ انجام گرفته در خورشید را منظور نماید. او در پایان نتیجه گرفت که آزمایش دیویس باید یک و نیم نوترینو در روز بدهد که بسیار کم‌تر از پیش‌بینی اولیه‌اش بود، ولی از میانگین نیم نوترینو در روز دیویس نیز فاصله‌ی زیادی داشت.
در این میان دیویس در حال مبارزه و تلاش برای دقیق‌تر کردن آزمایش خود بود. او به همه کار دست زد و به فنون متفاوتی دست یافت مثل تزریق مقدار کمی گاز آرگون به مایع و دیدن این که آیا دستگاه دقیقاً همان مقدار را بیرون می‌دهد (که داد)؛ هر بار آزمایش او کاملاً موفق از آب در می‌آمد. دیویس خودش نگران تفاوت نتیجه‌ی کار خود و پیش‌بینی باکال نبود و اظهار می‌داشت که نظریه‌پردازان زیاده از حد روی آن حساب باز کرده‌اند. او می‌گفت: «نتایج کار ما خیلی هم دور از پیش‌بینی‌ها نیست، بحث ما در مورد ضریب دو یا سه است و وقتی به تمام فرضیات و تخمین‌های باکال در مورد مدل بور 8 توجه کنیم، این همه اهمیت ندارد. فقط من آن محاسبات را به اندازه‌ی او جدی نمی‌گیرم.»
اما نظریه‌پردازان وقتی محاسباتشان، خاصه در مورد مطلبی اساسی مانند گداخت هسته‌ای، به شکست می‌انجامد، ناراحت می‌شوند. در سال 1988 وقتی نتایج کار در کامیوکای ژاپن معلوم شد، نگرانی در مورد این تفاوت بالا گرفت. در آن جا مخزنی بیست و یک هزار گالنی از آب بسیار خالص ساخته شد که در اطراف آن آشکارسازهای نوری حساسی قرار گرفته بود؛ این مخزن‌ها از سال‌ها پیش برای مشاهده‌ی واپاشی خود به خودی پروتون ساخته شده بود. این آشکارسازها بیهوده منتظر بودند (طبق تخمین‌هایی آن‌ها باید تا ابد منتظر می‌ماندند، زیرا عمر پروتون دست‌کم یک بیلیون تریلیون برابر جهان است). در سال 1984 گروه انجام دهنده‌ی این آزمایش تصمیم گرفت آن را به آشکارساز نوترینو تبدیل کند.
اندیشه‌ی نهفته در این طرح که کامیوکاند 2 نامیده شد این بود که نوترینوی بور 8 که در آب پیش می‌رفت گاهی یک الکترون را از مدار خارج می‌کند. این الکترون پراکنده شده چنان سریع حرکت خواهد کرد که موج‌های ضربه‌ای نور گسیل می‌دارد، درست همان طور که هواپیماهای جت مافوق صوت، صداهای مهیبی از خود به جای می‌گذارند (به ویژه الکترون در آب سریع‌تر از نوری که تابش می‌کند حرکت می‌کند). آشکارسازهای نوری اطراف آب به قدری حساسند که می‌توانند این موج‌های ضربه‌ای نور حاصل از این الکترون‌ها را بگیرند و حضور نوترینو را اعلام کنند.
در سال 1988 روشن شد که طرح کامیوکاند 2 شمارش تعداد کمی نوترینو در آزمایش کلر را تأیید کرده است و کمابیش امکان وقوع خطا در آزمایش را از میان برداشت. در این صورت، مشکل، ناشی از پیش‌بینی نظری بود. اما کجای مطالب نظری اشتباه بود؟ باکال حس کرد که تنها محل خطای فاحش در مدل خورشیدی‌اش، جایی در زنجیر پیچیده‌ی حوادث منجر به ایجاد نوترینوی بور 8 بود و نه در قسمت اصلی‌اش که به گداخت هیدروژنی مربوط می‌شد. بهترین راه تأیید این نظر، طراحی آزمایشی بود که بتواند نوترینوهای pp کم‌انرژیِ حاصل از گداخت هیدروژنی را آشکار سازد. اگر نتایج این آزمایش با پیش‌بینی‌ها مطابقت داشت در آن صورت مشکل حتماً در قسمت بور 8 بود. اما اگر تعداد نوترینوهای pp کم‌تر از حد مورد انتظار بود، آن‌گاه باید اتفاق غریبی رخ داده باشد. دیویس خاطرنشان کرد: «اگر خورشید می‌درخشد، پس باید این نوترینوهای pp را تولید کند.»
دیویس، لاند، و دیگران به فنی برای یافتن نوترینوهای pp دست یافته بودند. هرچند که این نوترینوها نیروی کافی برای تبدیل کلر به آرگون ندارند، اما نیروی آن‌ها برای تبدیل اتم گالیوم به نوع رادیواکتیو ژرمانیوم، بیش از حد کافی است، زیرا تفاوت انرژی این دو هسته کم‌تر از تفاوت انرژی بین هسته‌های کلر و آرگون است. در این صورت می‌توان از تعدادی گالیوم، اتم‌های ژرمانیوم را بیرون کشید. گالیوم فلز جیوه مانندی است که در دمایی اندکی بیش از دمای اتاق مایع می‌شود و این فرایند مشابه فرایند آزمایش هوم استیک بود. دیویس گفت: «گالیوم از هر لحاظ برای این آزمایش کامل است، اما بسیار گران است.» قیمت هر تن گالیوم بیش از یک میلیون دلار است و دیویس به پنجاه تن گالیوم نیاز داشت. دیویس نمی‌توانست به تنهایی برای آزمایش گالیوم سرمایه‌گذاری کند، اما در 1986 او به گروه مشترک امریکا – روسیه ملحق شد که برای طرحی به نام SAGE (آزمایش گالیوم روسیه – امریکا) در زیر کوهی در قفقاز شمالی اجازه گرفته بودند. طرح SAGE اکنون سی تن گالیوم داشت که همان مقداری نبود که دیویس خواسته بود، اما چند برابر تولید سالانه‌ی جهانی گالیوم در آن زمان بود و اگر قرار بود که نوترینوهای pp آشکار شوند، این مقدار گالیوم برای آشکارسازی آن‌ها کافی بود.
اگر تعداد نوترینوهای شمرده شده در طرح SAGE کم‌تر از حد انتظار می‌بود، چه اتفاقی می‌افتاد؟ چون نظریه‌پردازان هرگونه شک در مورد پیش‌بینی نوترینوهای pp را رد می‌کردند، تنها یک راه باقی می‌ماند: این بدان معنا بود که مشکل فیزیکی ناشناخته‌ای باعث مخفی شدن نوترینوها در برابر آشکارسازها می‌شد. در آن زمان در مورد ماهیت این مشکل فیزیکی، کمبود اندیشه و بررسی وجود نداشت. یک امکان در سال 1978 میلادی توسط فیزیک‌دانی به نام لینکلن ولفنشتاین طرح شده بود، که پیشنهاد می‌کرد که نوترینوها هنگام عبور از ماده می‌توانند نوع خود را تغییر دهند. مدت‌ها بود که فیزیک‌دانان می‌دانستند نوترینوها سه نوع دارند: نوترینوهای الکترونی، نوترینوهای میونی، و نوترینوهای «تاو»ی. نام هرکدام از این نوترینوها از ذره‌ای گرفته شده است که کم‌ترین میل به واکنش را با آن دارد. (میون و تاو دو ذره‌ی بنیادی‌اند.)
آشکارسازهایی که تاکنون ساخته شده‌اند به دنبال نوترینوهای الکترونی‌اند: وقتی نوترینو با هسته‌ی کلر یا گالیوم واکنش می‌کند، محصول فرعی آن یک الکترون است. (در آزمایش کامیوکاند، نوترینو مستقیماً با الکترون برهم‌کنش می‌کند.) هرچند که نوترینوی فرار کننده از خورشید، انرژی‌های بسیار متفاوتی دارد – یعنی نوترینوهای بور 8 بسیار پرانرژی‌تر از نوترینوهای pp هستند – اما همگی به خانواده‌ی نوترینوهای الکترونی متعلقند بدین لحاظ که با الکترون برهم‌کنش دارند، یا آن را تولید می‌کنند.
درست همان طور که نوترینوهای الکترونی با انرژی کافی هنگام واکنش با هسته‌های اتمی، الکترون تولید می‌کنند، نوترینوهای میونی و تاوی نیز با داشتن نیروی کافی، ذره‌های میون و تاو تولید می‌کنند. چون تولید چنین ذره‌های سنگینی انرژی زیادی می‌طلبد – بیش از انرژی‌ای که نوترینوهای میونی و تاوی حاصل از خورشید دارند – در آزمایش کلر یا گالیوم نوترینوهای میونی و تاوی ظاهر نمی‌شوند. اگر چنین نوترینوهایی نیز بگذرند، آشکار نمی‌شوند.
این موضوعِ تفاوت نوع هرگز اهمیت نداشت، زیرا درواقع تمام نوترینوهای تولید شده در خورشید اجباراً الکترونی‌اند. اما در سال 1985 فیزیک‌دانانی به نام استانیسلاو میخایف و آلکسی اسمیرونوف از فرهنگستان علوم روسیه، بر روی صورت کاملاً جدیدی از اندیشه‌ی ولفنشتاین کار کردند و نظریه‌ی حاصل را NSW نامیدند (که حروف اول نام‌های خودشان و ولفنشتاین بود). آن‌ها مکانیزمی برای تغییر نوع نوترینوهای خورشیدی توصیف کردند. اندیشه‌ی آن‌ها این بود که نوترینو با تغییر جرم می‌تواند یکی از سه نوع را اختیار کند. هنوز کسی نمی‌داند که آیا نوترینو جرم دارد یا نه، اما در برخی از مدل‌ها و از جمله در مدل NWS، نوترینو جرم کوچکی دارد: نوترینوهای الکترونی از همه سبک‌ترند و بعد از آن به ترتیب نوترینوهای میونی و تاوی قرار دارند. بر طبق مکانیک کوانتمی، نوترینوها مانند همه‌ی ذرات می‌توانند در حالت‌های خاصی دقیقاً تعریف شوند، که در این مورد به معنای آن است که به هر نوع نوترینو مقدار جرم خاصی نسبت داده شود. ذره‌ها بین حالت‌های مجاز نوسان می‌کنند و احتمالِ بودن در این یا آن حالت متفاوت است. بنابراین همیشه احتمال کمی وجود دارد که نوترینو بتواند خود به خود از یک مقدار جرم به مقدار جرم دیگری برود و بدین‌گونه، نوع آن تغییر کند.
در خلأ این مسأله بسیار به ندرت رخ می‌دهد، اما این نظریه پیش‌بینی می‌کند که اثر تغییر نوع در خورشید تقویت می‌شود. هرچند که نوترینوها از نیروهای قوی هسته‌ای یا الکترومغناطیسی تأثیر نمی‌پذیرند، اما تحت تأثیر نیروی ضعیف قرار می‌گیرند، و در خورشید فرصت چنین برهم کنش‌هایی بیش از خلأ است. این برهم کنش‌ها می‌توانند نوسان‌های مکانیک کوانتومی آن‌ها را تغییر دهند و درنتیجه بر جرم آن‌ها بیافزایند. حتی در خورشید نیز چنین روی‌دادهایی نادر است همان طور که برهم کنش‌های نوترینو در آشکارسازهای زمینی کمیاب است. اما خورشید به قدری بزرگ است که احتمال تغییر نوع نوترینو قبل از پایان عمرش کم نیست. اگر نظریه‌ی MSW درست باشد، خورشید را باید محل آزمایش غول پیکری برای فیزیک ذره‌ای دانست که نتایج آن را هرگز نمی‌توان در هیچ آزمایشگاه زمینی به دست آورد. به طور خلاصه مسأله‌ی نوترینوی خورشیدی اولویت پیدا کرده است. چنین به نظر می‌رسد که دستاورد مهم بعدی در فیزیک، ساختن شتاب دهنده‌ای بزرگ‌تر نیست بلکه نگاه دقیق‌تری به نوترینوی خورشیدی است.
طرح MSW نه تنها به خودی خود مناسب بود، بلکه با دست‌کاری درست، این نظریه با میزان فعالیت مربوط به نوترینو در هوم استیک و کامیوکا هم تقریباً تطابق کامل داشت و تعداد نوترینوی pp بسیار کمی را در SAGE پیش‌بینی کرد. باکال خیلی به آن علاقه‌مند بود. وی می‌گفت: «بعد از دو دهه تحیر، ناگهان فکر کردیم که می‌دانیم طبیعت چه می‌خواهد به ما بگوید.» تا آن‌جا که به باکال مربوط می‌شود اگر SAGE انتظارات را برآورده نکند، مطلب قطعی می‌شود: نوترینوها در خورشید تغییر نوع می‌دهند و به همین دلیل است که به اندازه‌ی کافی آشکار نمی‌شوند. در ژوئن 1990 او در همان کنفرانسی که گروه SAGE می‌خواست نتایج اولیه‌اش را اعلام کند سخنرانی داشت. چون نتایج سرّی بود باکال راهی نداشت که بفهمد SAGE به صورت تجربی نظریه‌ی NSW را می‌پذیرد یا آن را رد می‌کند. او اظهار داشت: «من مجبور بودم برای ارائه‌ی یکی از دو نظر، خود را آماده کنم.»
چنان که روشن شد SAGE طی چهار ماه بررسی حتی یک نوترینو نیز نیافته بود. چند هفته بعد باکال و فیزیک‌دانی از اهالی کورن‌وال به نام هانس بته مقاله‌ای منتشر کردند که جاهای خالی نظریه‌ی MSW را پر می‌کرد. بته شخص تازه‌کاری نبود. بیش از پنجاه سال پیش او مدل اصلی گداخت هیدروژنی در ستارگان را پی‌ریزی کرد که کلید اخترفیزیک جدید بود و جایزه‌ی نوبل را برایش به ارمغان آورد. اخترشناسان و فیزیک‌دانان با کار کردن روی مدل بته توانستند چرخه‌های زندگی ستارگان را تبیین کنند: سوختن آن‌ها با چه دمایی صورت می‌گیرد، عمرشان چقدر است، چگونه عناصر سنگین‌تر در کوره‌ی هسته‌ای آن‌ها تولید می‌شود – کربن، اکسیژن، آهن، و دیگر مصالح سیاره‌ها و زندگی – به طورِ خلاصه مبانی فیزیکی تقریباً همه‌ی مواردی که در کیهان می‌بینیم.
بعد از چند دهه تلاش، باکال کم بودن تعداد نوترینوها را با این شاخه‌ی قدرتمند اخترفیزیک هماهنگ کرد. درواقع او مسأله‌ی نوترینوی خورشیدی را حل شده اعلام کرد. باکال بیان کرد: «داده‌های موجود کاملاً با نظریه‌ی MSW سازگارند. این نظریه آن‌قدر زیباست که نمی‌تواند نادرست باشد.»
دیویس که کم‌تر نظر خود را تغییر داد گفت: «شاید MSW پاسخ ما باشد، شاید هم معلوم شود که مانند افسانه‌ی پریان است.» به ویژه دیویس عقیده دارد که باکال و دیگر نظریه‌پردازان چنان عجله می‌کنند که یکی از شگفت‌آورترین و جدلی‌ترین نتیجه‌های آزمایش هوم استیک را نادیده می‌گیرند: داده‌های تجربی نشان می‌دهند که تعداد نوترینوها با زمان تغییر می‌کند. به علاوه به نظر می‌رسد که این تغییرات هم‌زمان با چرخه‌ی یازده ساله‌ی خورشید باشد که طی آن بسامد لکه‌های خورشیدی صعود و نزول می‌یابد. این همبستگی حیرت‌آور است زیرا چرخه‌ی خورشیدی مستقیماً با میدان‌های مغناطیسیِ دائماً وارون شونده‌ی خورشید مرتبط است و نوترینوها خاصیت مغناطیسی ندارند.
شاید هم دارند. به بیانی که لاند آن را چرخشی «اندکی غیرمتعارف» می‌خواند، نوترینوها می‌توانند فقط پذیرفتاری مغناطیسی آن‌قدر کافی داشته باشند که امکان دهد میدان مغناطیسی خورشید در هنگام خارج شدن نوترینوها از خورشید به آن‌ها «چرخ‌آوری» دهد. چرخ‌آوری واقعه‌ای است که می‌توان آن را به این صورت تصور کرد که در مغناطیس چرخانی (مانند زمین)، قطب‌های مغناطیسی ناگهان حرکت سریعی می‌یابند. نوترینوی دچار چرخ‌آوری شده ممکن است با ماده‌ی معمولی واکنش نکند و بنابراین در هیچ آشکارسازی دیده نشود.
باکال تأکید داشت که همبستگی بین چرخه‌ی خورشیدی و تعداد نوترینوها در هوم استیک، اگر درست باشد ظاهراً جنبه‌ی آماری دارد. اما او نوسان داده‌ها را، با توجه به این که تمام خاصیت‌های شناخته شده‌ی نوترینو مخالفِ داشتن خاصیت‌های مغناطیسی کافی برای درست بودن فرضیه‌ی چرخ‌آوری است، به حساب تصادف می‌گذارد. او می‌گوید: «این اندیشه‌ی نازیبایی است. وقتی به تناقضی بین عقل سلیم و آمار برمی‌خوریم همیشه حق با عقل سلیم است.» دیویس مطمئن نبود که در این مورد عقل سلیم جانب کدام‌یک را می‌گیرد. او فکر می‌کرد که بخشی از مشکل MSW آن است که مطالب نظری چنان قاطعانه مسأله‌ی نوترینوی خورشیدی را تحت‌الشعاع قرار داده است که شاید افکار عمومی را به یک سو سوق داده باشد. این مسأله قبلاً فقط مربوط به اخترفیزیک بود اما اکنون در باره‌ی فیزیک ذره‌ای هم صدق می‌کند.
اگر نوترینوها مطابق نظر باکال واقعاً تغییر نوع می‌دهند، تعداد نوترینوها در آشکارسازهای مختلف باید معیاری از تناوب رخ دادن این واکنش‌ها به دست دهد: این تعداد به فیزیک‌دانان اطلاعاتی می‌دهد که به هیچ صورت دیگری از راه تجربه نمی‌توان به آن رسید. اگر بالاخره تعداد این نوترینوها درست فهمیده شود می‌تواند به درک جامع‌تری از فیزیک ذره‌ای منجر شود، و اگر در نهایت نشان داده شود که این انواع نوترینو چندان متمایز نیستند، نوترینوی خورشیدی می‌تواند جای پایی باشد در مسیر گام گذاردن به سوی نظریه‌ای که همه‌ی نیروهای طبیعت را یگانه می‌سازد، هدفی که از هنگام ناکامی اینشتاین در این راه تاکنون همه‌ی دانشمندان را درگیر کرده و کسی هنوز به آن دست نیافته است.
میل به دانستن این که MSW یا چرخ‌آوری مغناطیس، کدام یک درستند – یا حتی، چون مانعة‌الجمع نیستند، هر دو درستند – منجر به این شده است که گروه‌هایی در سراسر جهان به دنبال آزمایش‌هایی در مورد نوترینوی خورشیدی باشند. یکی از آن‌ها طرحی اروپایی مانند SAGE بود که آن نیز سی تُن گالیوم مصرف می‌کرد و در میان تونل اتوموبیل‌روی گرانزاسو در ایتالیا اجرا می‌شد. محل این آزمایش مشابه ددوود بود: یعنی آزمیشگاه گرانزاسو زیر کوهی قرار داشت که در جنگ دوم جهانی سپاهیان آلمانی، موسولینی را از آن جا نجات دادند.
آزمایش نوترینوی دیگری در معدن نیکل سادبری، سی‌صد و بیست کیلومتری جنوب تورنتو، اجرا گردید. آشکارساز مربوط به این آزمایش، از هزار تُن آب «سنگین» بسیار خالص – آب غنی شده توسط دوتریوم – (به ارزش چند صد میلیون دلار) استفاده می‌کرد. این آب ابتدا برای مولدهای برق هسته‌ای کاندو در کانادا تهیه شده بود که دیگر کسی مایل به ساختن آن مولدها نبود. آشکار ساز کانادایی قادر بود که روی‌دادهای حادث توسط نوترینوهای میونی و تاوی را (علاوه بر نوترینوی الکترونی) ببیند.
در این میان دیویس سفر دو ماه یکبار خود به معدن طلای بلاک هیل را، که این داستان مرموز از آن‌جا آغاز شد را ادامه می‌داد. گروهی از پژوهشگران، همکاریِ نسبتاً اندکِ بین او و باکال برای مشاهده‌ی مبانی فیزیکی ساده‌ی موجود در یک ستاره‌ی معمولی را به افراط ستایش می‌کردند. کار هوم استیک مهم‌ترین تجربه‌ی فیزیکی در اواخر قرن بیستم خوانده می‌شد و هرگاه نام یکی از این دو همکار ذکر می‌شد کلمه‌ی نوبل نیز مطرح می‌شد. اما هیچ یک از این امور بر حالت مهربان و متواضع دیویس تأثیر نداشت.
دیویس در یکی از بازدیدهایش از معدن، استراحت کوتاهی کرد و از زیر زمین بیرون آمد و با ولع، مقداری شیرینی خورد و در مورد طرح‌هایش در مورد آشکارساز جدیدی که در آن یُد به کار می‌رود، صحبت کرد. شاید یُد در برابر نوترینو چندین مرتبه حساس‌تر از کلر باشد. اما فبل از این که صحبت‌هایش را دنبال کند از صفحه‌ی کنترل، صدای زنگ گوش خراشی آمد و او رفت که در یکی از مخزن‌ها، خنک کننده بریزد. به نوعی این احساس به انسان دست می‌داد که حداقل از دیدگاه دیویس حتی کار کردن با پیش‌رفته‌ترین آشکارسازها نیز به این اندازه لذت بخش نبود.