نوترینوی انرژی بالا چقدر بزرگ است؟
15 زپتومتر!
نوترینوی انرژی بالا، نوترینویی است که مقدار بسیار زیادی انرژی دارد، مانند نوترینوهایی که از اعماق فضا به زمین می‌رسند. نوترینوها ذره‌های بنیادی بدون بار الکتریکی و تقریباً بدون جرم‌اند. هیچ آزمایشی اندازه‌ای برای نوترینو اندازه‌گیری نکرده است، پس عددی که نشان داده شده، اندازه‌گیری نیست.
اندازه
اندازهٔ نوشته‌شده در بالای مقاله 15 زپتومتر یا 1.5 × 10−20 متر است. زپتومتر 10−21 متر است، یعنی یک هزارم از یک میلیاردم از یک میلیاردم متر. نمادگذاری 10−21 یعنی عدد 1 تقسیم بر عددی که 1 و پس از آن 21 صفر دارد. این سایت نمی‌گوید نوترینوی انرژی بالای آن چه انرژی‌ای دارد، و هیچ آزمایشی اندازه‌ای برای نوترینو با هیچ انرژی‌ای اندازه‌گیری نکرده است.
برای کوارک‌ها، آزمایش‌ها دست‌کم حد بالایی برای اندازه تعیین کرده‌اند. اما برای نوترینوها، فیزیک‌دانان هنوز دربارهٔ اینکه اندازه را چگونه باید تعریف کرد هم توافق ندارند. گروه دادهٔ ذرات که اندازه‌گیری‌های ذرات را در سراسر جهان گردآوری می‌کند، حدهایی را برای کمیتی به نام شعاع بار نوترینو فهرست کرده است. این گروه همچنین یادآوری می‌کند که معنای این کمیت هنوز محل بحث است.
آنچه به‌خوبی شناخته شده، این است که نوترینوها چقدر به‌ندرت با هر چیزی برهم‌کنش می‌کنند. نوترینو فقط دو نیرو از چهار نیروی بنیادی را احساس می‌کند: نیروی ضعیف و گرانش. چون بار الکتریکی ندارد، نیروهای الکتریکی و مغناطیسی آن را نمی‌کشند و نمی‌رانند، و نیروی قوی را هم که کوارک‌ها را به هم می‌بندد حس نمی‌کند.
مقایسهٔ اندازه
- جز گرانش، نوترینو فقط از راه نیروی ضعیف می‌تواند بر ذرهٔ دیگری اثر بگذارد. برد این نیرو حدود 10−18 متر است، یعنی کمتر از یک هزارم پهنای یک پروتون که حدود 1.7 فمتومتر (1.7 × 10−15 متر) پهنا دارد.
- بیشتر نوترینوها بی‌آنکه متوقف شوند، از تمام زمین که قطر آن 12,742 کیلومتر است عبور می‌کنند.
- احتمال برخورد با انرژی بیشتر می‌شود. نوترینویی با انرژی 40 TeV (40 هزار میلیارد الکترون‌ولت، که الکترون‌ولت یکای بسیار کوچکی از انرژی است) به‌طور میانگین حدود قطر زمین را می‌پیماید تا زمین جلوی آن را بگیرد.
- برای گرفتن معدود نوترینوهایی که برهم‌کنش می‌کنند، آشکارساز IceCube در قطب جنوب یک کیلومتر مکعب یخ را زیر نظر دارد؛ 5,160 حسگر نوری در عمق 1,450 تا 2,450 متری زیر سطح آن آویزان شده‌اند.
نوترینوها از فضا
بین مه 2010 و مه 2012، IceCube 28 رویداد پرانرژی ثبت کرد، بسیار بیشتر از حدود 11 رویدادی که از ذرات تولیدشده در جو زمین انتظار می‌رفت. پرانرژی‌ترین دو رویداد هرکدام حدود 1 PeV، یعنی 1,000 TeV، انرژی داشتند. در سال 2013، گروه IceCube این رویدادها را به عنوان شواهدی از نوترینوهای پرانرژی از فضا گزارش کرد.
در 13 فوریهٔ 2023، آشکارساز ARCA از تلسکوپ KM3NeT، در عمق 3,450 متری دریای مدیترانه و در نزدیکی سیسیل، نوترینویی ثبت کرد که انرژی آن حدود 220 PeV برآورد شده است. تا سال 2026، این پرانرژی‌ترین نوترینویی است که تاکنون مشاهده شده است. انرژی همین یک ذره تقریباً برابر با انرژی توپ تنیسی بود که از ارتفاع 6 سانتی‌متری رها می‌شود.
دانشمندان بر این باورند که چنین نوترینوهایی از پرخشونت‌ترین مکان‌های جهان می‌آیند، مانند پیرامون ابرسیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های در حال انفجار. در آنجا ذراتی به نام پرتوهای کیهانی تا انرژی‌های بسیار زیاد شتاب می‌گیرند و می‌توانند نوترینو تولید کنند.
نوترینوها چگونه آشکار می‌شوند
نوترینوها پس از فوتون‌ها، یعنی ذره‌های نور، دومین ذرهٔ فراوان جهان‌اند. با این حال چنان به‌ندرت برهم‌کنش می‌کنند که به گفتهٔ کتاب درسی Astronomy از انتشارات OpenStax، «زمین برای نوترینو شفاف‌تر از نازک‌ترین و پاک‌ترین شیشه برای فوتون نور است». آشکارسازی آن‌ها آشکارسازهای عظیمی می‌خواهد.
IceCube و KM3NeT حجم‌های عظیمی از یخ یا آب دریا را زیر نظر دارند. وقتی نوترینویی به چیزی برخورد می‌کند، ذره‌های باردار الکتریکی می‌سازد که نوری مایل به آبی به نام نور چرنکوف از خود بیرون می‌دهند. حسگرها این نور را ثبت می‌کنند و فیزیک‌دانان از آن برای تعیین جهت و انرژی نوترینو استفاده می‌کنند.
منابع
- KM3NeT detects the highest energy neutrino ever observed. KM3NeT Collaboration, 2025.
- Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector. M. G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration), Science, 2013.
- Measurement of the multi-TeV neutrino cross section with IceCube using Earth absorption. M. G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration), Nature, 2017.
- IceCube Detector. IceCube Neutrino Observatory, University of Wisconsin–Madison.
- Neutrino Properties. Particle Data Group, 2025.
- Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA. H. Abramowicz et al. (ZEUS Collaboration), Physics Letters B, 2016.
- The Standard Model. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- Mass, Energy, and the Theory of Relativity. In Astronomy, 2nd edition. OpenStax, 2022.
- The Z boson. CERN.
- SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
- Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
- Electron volt. NIST CODATA, 2022.
- Standard acceleration of gravity. NIST CODATA, 2022.
- Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.
- Earth Fact Sheet. NASA, 2024.