مسئله نوتوینوی خورشیدی

آزمایشهای نوترینوی خورشیدی، که به قصد آشکار سازی نوتوینوهایی تعبیه شده اند که در واکنشهای هم جوشی هسته ای خورشید ایجاد می‌شوند، تنها آزموهای مستقیم برداشت ما از علت درخشش خورشیدند. نزدیک به 20 سال، تنها آزمایش از این نوع آزمایشی بود با آشکار ساز کلر در معدن طلای هوم استیک در ایالت داکوتای جنوبی که توسط ری دیویس و همکارانش از آزمایشگاه ملی بروکهیون انجام می‌شد. مدتی است که می‌دانیم نتیجه این آزمایش تقریباً چهار بار کمتر از پیش بینی نظری "مدل استاندارد خورشیدی (SSM) است. این اختلاف به "مسئله نوترینوی خورشیدی" معروف شده است. اساس کار آشکار ساز رادیو شیمیایی CI این است که اتمهای CL37 با جلب نوترینو تبدیل به Ar37می‌شوند. سپس اتمهای Ar37 از مایع هدف استخراج و شمارش می‌شوند. شمارش براساس واپاشی رادیواکتیوی این اتمها در یک شمارشگر تناسبی انجام می‌گیرد.
در حدود سه سال پیش نتایج دومین آزمایش نوترینویی از آشکارساز کامیو کانده-IIدر ژاپن(IIK-)به دست آمد. این آشکار ساز نورچرنکوفی ناشی از الکترونهای "کنده شده" را در برخورد نوترینو – الکترون، در یک مخزن بزرگ آب اندازه می‌گیرد. در کنفرانس که اخیراً برگزار شد (نوترینو 90، از ده تا پانزده ژوئن 1990 در سرن) داده‌های جدید این دو آشکار ساز (کامیوکانده IIو دیویس) گزارش شد. شواهد فزاینده ای در دست است که مسئله نوترینوی خورشیدی در واقع ناشی از مشکلات مدل خورشیدی نیست، بلکه پیامد جهل ما نسبت به خواص اساسی این ذره بنیادی است. نتایجی که در این کنفرانس برای هر دو آزمایش گزارش شد نشان داده شده و با پیش بینی مدل استاندارد مقایسه شده است.
علامتهای آشکار ساز K-II (بر حسب بکای مقدار انتظاری مدل استاندارد) در برابر علامتهای آشکار ساز CI (بر حسب بکای=SNU بکای نوترینوی خورشیدی = 1 واکنش نوترینویی در هر ثانیه در1036 اتم هدف) رسم شده است. مقایسه نتایج هر دو آشکار ساز (دایره پر با خطای یک انحراف معیار) با پیش بینی مدل استاندارد (دایره پری که با SMM مشخص شده) نشان می‌دهد که داده‌هایK-II نیز مؤید کمبود و اختلافی است که از مدتها پیش آشکار ساز CI حاکی از آن بوده است. به علاوه، حساسیت آشکار ساز K-IIبه امتداد (مشخصه ای که آشکار سازهای رادیو شیمیایی نوترینو فاقد آن اند) به طور صریح ثابت کرده است که منشأ علامتهای آشکار ساز K-II خورشید است.
در داده‌های آشکار سازCIیک نکته پیچیده دیگر هم نهفته است که داده‌های آزمایش K-II آن را تأیید نکرده است. مقداری که برای آشکار ساز CI رسم شده است یک میانگین زمانی است. اما توزیع زمانی داده‌های منفرد، کتره ای نیست.
در عوض، بین علامت آشکار سازCIو چرخه یازده ساله کلفهای خورشیدی یک پاد همبستگی ظاهری به چشم می‌خورد. کوششهایی شده است تا این رفتار به کمک برهم کنش گشتاور مغناطیسی فرضی نوترینو با میدانهای مغناطیسی قوی ناحیه همرفتی خورشید توضیح داده شود. در هر حال فیزیک دانهای گروه کامیوکانده چنین اثری را مشاهده نکرده اند. آنها فقط یک علامت ثابت در زمان، در محدوده خطای اندازه گیری، مشاهده کرده اند.
علت مسئله نوترینوی خورشیدی چیست؟ دو آزمایشی که شرح داده شد نوترینوهایی را می‌سنجند که بر انتهای فوقانی طیف انرژی نوترینوی خورشیدی قرار دارند، آستانه انرژی آزمایشCIقدری کمتر از مقدار مربوط به آشکار سازK-II است. بنابراین در 20 سال گذشته اختر فیزیکدانها سعی کرده اند که مدل خورشیدی را به نحوی اصلاح کنند که از شار این نوترینوهای پر انرژی کاسته شود تا مقدار پیش بینی شده با نتیجه آزمایش آشکار ساز CIسازگار شود. داده‌های حاصل از هر دو آزمایش نشان می‌دهد که چنین توضیحی برای کمبود مشهود نوترینو، راه به جایی نمی‌برد. این مطلب از شکل آشکار است. در این علامتهای پیش بینی شده برای هر دو آشکار ساز، براساس انواع مدلهای خورشیدی غیر استاندارد (دایره‌های خالی) نشان داده شده است. بدیهی است که مدلهای غیر استانداردی که برای آشکار ساز CIنتیجه ای نزدیک به مقدار مشاهده شده به دست می‌دهند، در مورد آشکار ساز k-II به نتیجه ای می‌انجامند که با عدد اندازه گیری شده ناسازگار است.
بنابراین، راه حل دیگر یعنی "اثر میخایف اسمیرنوف – ولفنشتاین" (MSW) که بسیار هم مورد بحث قرار گرفته، محتملتر است. اگر نوترینوها، جرم سکون داشته باشند و اگر در فرایندهای برهم کنش ضعیف، نوترینوهایی با چاشنیهای مختلف با هم مخلوط شوند (مخلوط شدن جانشینها در برهم کنشهای ضعیف کوارکها، اثر معروفیب است)، در این صورت ممکن است که کسری را از نوترینوهای الکترونی تولید شده در واکنشهای هم جوشی خورشید، ضمن عبور از مرکز به سطح خورشید، به دو نوع نوترینوی دیگر (نوترینوی میونی یا تائویی) تبدیل شده باشند.
آشکار سازیهای رادیو شیمیایی نظیر آشکار ساز CIدر مقابل نوترینوهایی که چاشنی شان از نوع الکترونی نباشد "نابینا" هستند. علی الاصول، آشکار سازK-IIدست کم می‌تواند انواع دیگر نوترینو را هم آشکار کند. اما حساسیتش در این موارد نسبت به مورد نوترینوهای الکترونی، هفت بار کمتر است. بنابراین اثر MSW در مقایسه با موردی که این اثربه حساب نیاید، به میزان نوترینوی کمتر منجر می‌شود. میزان کاهش در دو آزمایش بالا متفاوت خواهد بود، زیرا پاسخهای طیفی آشکارسازها به نوترینوهای خورشیدی (همان طور که مشاهده شده) متفاوت است.
پس، آیا اثر MSW واقعاً توضیح درست مسئله نوترینوی خورشیدی است؟ برای جواب لازم است.
مدتی است پژوهشگران به این نتیجه رسیده اند که اگر آزمایشهایی انجام شوند که انرژی آستانه آنها آنقدر کم باشد که بتوان نوترینوهای کم انرژی خورشیدی را مشاهده کرد، به اطلاعاتی دست خواهیم یافت که از لحاظ کیفیت جدید و متفاوت خواهند بود. به همین دلیل دو گروه پژوهشی مستقلاً دست به کار ساختن یک آشکار ساز رادیو شیمیایی برای نوترینوهای خورشیدی شده اند که اساس آن جذب نوترینو توسط گالیم است. وضعیت آزمایشهای هر دو گروه در این کنفرانس گزارش شد. آزمایش گالگس، که یکی از دو آزمایش جدیداست، با همکاری یک گروه بین المللی در آزمایشگاه زیرزمینی گران ساسو در ایتالیا انجام می‌شود. در این آزمایش از 3 و 30 تن گالیم به صورت 100 تن محلول گالم کلرید استفاده می‌شود. کار نصب دستگاههای آزمایش خاتمه یافته است و انجام آزمونهای نهایی در جریان است، جمع آوری داده‌های آزمایشی به زودی شروع می‌شود.
آزمایش دیگر (SAGE) یک پروژه مشترک شوروی و آمریکاست. آشکار ساز این آزمایش (که در آن از گالیم به صورت فلز استفاده می‌شود) در آزمایشگاه زیرزمینی بخشان در قزاقستان شمالی مستقر است. فعلاً آزمایش با 30 تن گالیم انجام می‌شود. از این آشکار ساز تاکنون داده‌هایی به دست آمده است که داده‌های اولیه چهار دور اول آزمایش در این کنفرانس گزارش شد. فیزیکدانان مجری این طرح مدعی اند که در این چهار نوبت آزمایش، اثری حاکی از فزونی علامت نوترینوی خورشیدی نسبت به زمینه به دست نیامده است.
خیلی ها به این "نتیجه صفر" خرده گرفته اند. اما هنوز برای نتیجه گیری زود است. تعداد رویدادها هنوز خیلی کم است. به علاوه همان طور که پژوهشگران SAGE اظهار داشته اند، خطاهای سیستماتیک آزمایش هنوز بررسی نشده است.
بنابراین از داده‌های موجود فقط یک حد بالای SMNU138 (95% درجه اطینان) به دست می‌آید، و این حدی است که شار کامل نوترینوی خورشیدی مدل استاندارد (SNU132) را هم شامل می‌شود. برای حصول یک جواب روشن باید مدتی بیشتر صبر کنیم تا از داده‌هایSAGE وگالکس (که قریباً حاصل خواهد شد) نتایج قطعی تری به دست بیاید.
کارول روبیا مدیر سرن در این کنفرانس گفت: "در زمینه نوترینو اساسی ترین حقایق هنوز کشف نشده اند... و از این رشته، شگفتیهای زیادی در آینده سر بر خواهد آورد." آزمایشهای نوترینوی خورشیدی تا به حال مایه شگفتی بوده اند و در آینده هم خواهند بود.