معضل نوترینو خورشیدی و راه حل‌های آن

آیا می‌دانیم خورشید چگونه نور افشانی می‌كند؟ آیا می‌دانیم نوترینو چگونه منتشر می‌شود؟ این پرسش‌ها حدود دو دهه است كه ذهن اختر شنسان و فیزیك‌دان‌ها را به خود مشغول كرده است. آزمایشی كه دیویس و همكارانش با استفاده از 400000 لیتر پركلراتیلن در ته معدن طلای هوم استیك در داكوتای جنوبی انجام دادند نتایج حیرت انگیزی به دست داد: در این آزمایش میان مشاهده و محاسبه اختلاف بسیار زیادی وجود داشت. مقداری اندازه‌گیری شده در حدود سه برابر كمتر از مقداری بود كه بر اساس نظریه استاندارد مربوط به چگونگی تابش خورشید انتظار می‌رفت. این تفاوت بارز باعث مطرح شدن راه حل‌های ابتكاری بسیاری شده است. بعضی از این راه حل‌ها بر این فكر مبتنی بوده‌اند كه نظریه استاندارد اخترشناسی غلط است و بعضی دیگر بر پایه ایده‌های حدسی در فیزیك اظهار شده‌اند. دو پیشنهاد جدید از حوزه فیزیك بنیادی محققان را در سراسر دنیا بر آن داشت تا خواص ذراتی را كه برهم‌كنش ضعیف دارند از نو بررسی كنند.
میخی یوف و سمیرنوف دو پرتو كیهان شناس از اتحاد شوروی با دنبال كردن تحقیقات اولیه ولفنشتاین، نشان دادند كه نوترینوهای (الكترونی) كه از قلب خورشید به طرف زمین می‌آیند می‌توانند در اثر پراكندگی تشدیدی از الكترون‌ها به نوترینوهای میونی تبدیل شوند. بی‌تقارنی میان نوترینوهای الكترونی و نوترینوهای میونی ناشی از برهم‌كنش (جریان – باردار) اضافیی است كه میان الكترون‌ها و نوترینوهای الكترونی وجود دارد. این فرایند، كه به افتخار كاشفان آن به اثر MSW معروف است، متعارف‌ترین راه حلی است كه تاكنون برای حل مسئله نوترینوی خورشید مطرح شده است، زیرا فقط مستلزم آن است كه: (1)نوترینوهای حاصل از واپاشی پرتوزا آمیزه‌ای از حالت‌های مختلف نوترینو باشند؛ (2) تفاوت جرم‌های نوترینوها در گستره 2-10 تا eV4-10 باشد؛ و (3) نوترینوی الكترونی در خلأ از نوترینوی میونی سبك‌تر باشد.
از طرف دیگر دو گروه از اختر فیزیك‌دان‌های آمریكایی ذرات سنگین با برهم‌كنش ضعیفی (WIMP) را پیشنهاد كرده‌اند كه همزمان دو مسئله بنیادی را حل می‌كنند. این دو مسئله بنیادی عبارت‌اند از مسئله ماده نایافته و مسئله نوترینوی خورشیدی فراوانی این ذرات سنگین (نوعاً در حدود چندین GeV و سنگین‌تر) كه در مهبانگ تولید شده‌اند برای توجیه ماده نامرئی كه با روش‌های اخترشناسی كشف شده است كفایت می‌كند، مشروط براینكه سطح مقطع آن‌ها نیز طوری باشد كه توسط خورشید گیر بیفتند و مقادیر قابل توجهی انرژی از قلب خورشید به طرف شعاع‌های بیرونی بزرگ‌تر منتقل كنند. WIMPهای گیر افتاده می‌توانند دمای (محاسبه شده) مركز خورشید و در اثر آن، شار نوترینو را پایین بیاورند زیرا این ذرات به كارآیی انتقال انرژی توسط فوتون‌ها می‌افزایند. برای WIMPها می‌توان پارامترهایی در نظر گرفت كه با یك راه حل واحد، هم برای مسئله ماده نایافته و هم برای مسئله نوترینوی خورشیدی سازگار باشند. پرسش مهمی كه باقی می‌ماند این است كه چرا WIMPها به طور محسوس نابود نمی‌شوند و یا در فرایند نابودی متقابل آشكار نمی‌شوند.