مشکل نوترینوی ساطع از خورشید

آزمایش‌های نوترینوی خورشیدی، كه به قصد آشكارسازی نوترینوهایی تعبیه شده‌اند كه در واكنش‌های همجوشی هسته‌ای خورشید ایجاد می‌شوند، تنها آزمون‌های مستقیم برداشت ما از علت درخشش خورشیدند. نزدیك به 20 سال، تنها آزمایش از این نوع آزمایشی بود با آشكارساز كلر در معدن طلای هوم استیك در ایالت داكوتای جنوبی كه توسط ری دیویس و همكارانش از آزمایشگاه ملی بروكهوین انجام می‌شد. مدتی است كه می‌دانیم نتیجه این آزمایش تقریباً چهار بار كمتر از پیش‌بینی نظری مدل استاندارد خورشیدی (SSM) است. این اختلاف به مسئله نوترینوی خورشیدی معروف شده است. اساس كار آشكارساز رادیو شیمیایی CI این است كه اتم‌های (_.^37)CI با جذب نوترینو تبدیل به (_.^37)Ar می‌شوند. سپس اتم‌های (_.^37)Ar از مایع هدف استخراج و شمارش می‌شوند. شمارش بر اساس واپاشی رادیواكتیوی این اتم‌ها در یك شمارگر تناسبی انجام می‌گیرد.
در حدود سه سال پیش نتایج دومین آزمایش نوترینویی از آشكارساز كامیو كانده در ژاپن به دست آمد. این آشكارساز نور چر نكوفی ناشی از الكترون‌های كنده شده را، در برخورد نوترینو – الكترون، در یك مخزن بزرگ آب اندازه می‌گیرد. در كنفرانسی كه اخیراً برگزار شد (نوترینو 90، از ده تا پانزده ژوئن 1990 در سرن) داده‌های جدید این دو آشكارساز (كامیو كانده و دیویس) گزارش شد. شواهد فزاینده‌ای در دست است كه مسئله نوترینوی خورشیدی در واقع ناشی از مشكلات مدل خورشیدی نیست، بلكه پیامد جهل ما نسبت به خواص اساسی این ذره بنیادی است.
در شكل نتایجی كه در این كنفرانس، برای هر دو آزمایش گزارش شد نشان داده شده و با پیش‌بینی مدل استاندارد مقایسه شده است. علامت‌های آشكارساز (بر حسب یكای مقدار انتظاری مدل استاندارد) در برابر علامت‌های آشكارساز CI (بر حسب یكای =SNU یكای نوترینوی خورشیدی =1 واكنش نوترینویی در هر ثانیه در 1036 اتم هدف) رسم شده است. مقایسه نتایج هر دو آشكارساز (دایره پر با خطای یك انحراف معیار) با پیش‌بینی مدل استاندارد (دایره پری كه با SSM مشخص شده) نشان می‌دهد كه داده‌های K-II نیز مؤید كمبود و اختلافی است كه از مدت‌ها پیش آشكارساز CI حاكی از آن بوده است.
به علاوه، حساسیت آشكارساز K-II به امتداد (مشخصه‌ای كه آشكارساز‌های رادیوشیمیایی نوترینو فاقد آن‌اند) به طور صریح ثابت كرده است كه منشأ علامت‌های آشكارساز K-II، خورشید است.
در داده‌های آشكارساز CI یك نكته پیچیده دیگر هم نهفته است كه داده‌های آزمایش K-II آن را تأیید نكرده است. مقداری كه برای آشكارساز CI در شكل رسم شده است یك میانگین زمانی است. اما توزیع زمانی داده‌های منفرد، كتره‌ای نیست. در عوض، بین علامت آشكارساز CI و چرخه یازده ساله كلفهای خورشیدی یك پادهمبستگی ظاهری به چشم می‌خورد. كوشش‌هایی شده است تا این رفتار به كمك برهم‌كنش گشتاور معناطیسی فرضی نوترینو با میدان‌های مغناطیسی قوی ناحیه همرفتی خورشید توضیح داده شود. در هر حال فیزیك‌دان‌های گروه كامیوكانده چنین اثری را مشاهده نكرده اند. آن ها فقط یك علامت ثابت در زمان، در محدوده خطای اندازه‌گیری مشاهده كرده‌اند.
علت مسئله نوترینوی خورشیدی چیست؟ دو آزمایشی كه شرح داده شد نوترینوهایی را می‌سنجند كه بر انتهای فوقانی طیف انرژی نوترینوی‌خورشیدی قرار دارند؛ آستانه انرژی آزمایش CI قدری كمتر از مقدار مربوط به آشكارساز K-II است. بنابراین در 20 سال گذشته اختر فیزیك‌دان‌ها سعی كرده‌اندكه مدل خورشیدی را به نحوی اصلاح كنند كه از شار این نوترینو‌های پر انرژی كاسته شود تا مقدار پیش بینی شده با نتیجه آزمایش آشكارساز CI سازگار شود. داده‌های حاصل از هر دو آزمایش نشان می‌دهد كه چنین توضیحی برای كمبود مشهود نوترینو، راه به جایی نمی‌برد. این مطلب از شكل آشكار است. در این شكل علامت‌های پیش‌بینی شده برای هر دو آشكارساز، براساس انواع مدل‌های خورشیدی غیر استاندارد (دایره‌های خالی) نشان داده شده است. بدیهی است كه مدل‌های غیر استانداردی كه برای آشكارساز CI نتیجه‌ای نزدیك به مقدار مشاهده شده به دست می‌دهند، در مورد آشكارساز K-II به نتیجه‌ای می‌انجامند كه با عدد اندازه‌گیری شده ناسازگار است.
بنابراین، راه حل دیگر یعنی اثر مخاف، اسمیرنوف – ولفنشتاین (MSW) كه بسیار هم مورد بحث قرار گرفته، محتمل‌تر است. اگر نوترینو‌ها، جرم سكون داشته باشند و اگر در فرایندهای برهم‌كنش ضعیف، نوترینوهایی با چاشنی‌های مختلف با هم مخلوط شوند (مخلوط شدن چاشنی‌ها در بر هم‌كنش‌های ضعیف كوارك‌ها، اثر معروفی است). در این صورت ممكن است كه كسری از نوترینو‌های الكترونی تولید شده در واكنش‌های همجوشی خورشید، ضمن عبور از مركز به سطح خورشید، به دو نوع نوترینوی دیگر (نوترینوی میونی یا تائویی) تبدیل شده باشند. آشكارسازهای رادیوشیمیایی نظیر آشكارسازCI در مقابل نوترینو‌هایی كه چاشنی‌شان از نوع الكترونی نباشد نابینا هستند. علی‌الاصول، آشكارساز K-II دست‌كم می‌تواند انواع دیگر نوترینو را هم آشكار كند، اما حساسیتش در این موارد نسبت به مورد نوترینوهای الكترونی، هفت بار كمتر است. بنابراین اثر MSW، در مقایسه با موردی كه این اثر به حساب نیابد، به میزان نوترینوی كمتری منجر می‌شود. میزان كاهش در دو آزمایش بالا متفاوت خواهد بود، زیرا پاسخ‌های طیفی آشكارسازها به نوترینوهای خورشیدی (همان طور كه مشاهده شده) متفاوت است.
پس، آیا اثر MSW واقعاً توضیح درست مسئله نوترینوی خورشیدی است؟ برای جواب دادن به این سؤال داده‌های آزمایش‌های جدید لازم است. مدتی است پژوهشگران به این نتیجه رسیده‌اند كه اگر آزمایش‌هایی انجام شوند كه انرژی آستانه آن‌ها آن‌قدر كم باشد كه بتوان نوترینوهای كم انرژی خورشیدی را مشاهده كرد، به اطلاعاتی دست خواهیم یافت كه از لحاظ كیفی جدید و متفاوت خواهند بود. به همین دلیل دو گروه پژوهشی مستقلاً دست به كار ساختن یك آشكارساز رادیوشیمیایی برای نوترینوهای خورشیدی شده‌اند كه اساس آن جذب نوترینو توسط گالیم است. وضعیت آزمایش‌های هر دو گروه در این كنفرانس گزارش شد. آزمایش گالكس، كه یكی از دو آزمایش جدید است، با همكاری یك گوه بین‌المللی در آزمایشگاه زیرزمینی گران‌ساسو در ایتالیا انجام می‌شود. در این آزمایش از 3ر30 تن گالیم به صورت 100 تن محلول گالیم كلرید استفاده می‌شود. كار نصب دستگاه‌های آزمایش خاتمه یافته است و انجام آزمون‌های نهایی در جریان است؛ جمع‌آوری داده های آزمایشی به زودی شروع می‌شود.
آزمایش دیگر (SAGE) یك پروژه مشترك شوروی و امریكاست. آشكارساز این آزمایش (كه 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 آشكارساز تاكنون داده‌هایی به دست آمده است كه داده‌های اولیه چهار دور اول آزمایش در این كنفرانس گزارش شد. فیزیك‌دانان مجری این طرح مدعی‌اند كه در این چهار نوبت آزمایش، اثری حاكی از فزونی علامت نوترینوی خورشیدی نسبت به زمینه به دست نیامده است.
خیلی‌ها به این نتیجه صفر خرده گرفته‌اند. اما هنوز برای نتیجه‌گیری زود است. تعداد رویدادها هنوز خیلی كم است. به علاوه همان‌طور كه پژوهشگران SAGE اظهار داشته‌اند، خطاهای سیستماتیك آزمایش هنوز بررسی نشده است. بنابراین از داده‌های موجود فقط یك حد بالای SNU138 (95% درجه اطمینان) به دست می‌آید، و این حدی است كه شار كامل نوترینوی خورشیدی مدل استاندارد (SNU132) را هم شامل می‌شود. برای حصول یك جواب روشن باید مدتی بیشتر صبر كنیم تا از داده‌های SAGE و گالكس (كه تقریباً حاصل خواهد شد) نتایج قطعی تری به دست بیاید.