آیا ذرات بنیادی نوترینو ها جرم دارند؟ با توجه به آزمایشات قبلی ما، بله. ولی چقدر؟

یک نتیجه ی تعجب برانگیز پیشنهاد شده است که مطابق آن چه ما فکر می کردیم نیست.
نوترینو ها مانند فوتون ها، بدون جرم تصور می شدند که با سرعت نور در حال حرکت اند.

در
چند سال گذشته با مطالعه بر روی نوترینوهای منتشر شده توسط خورشید یا
ایجاد شده توسط اشعه های کیهانی در اتمسفر زمین، فیزیکدانان متوجه شدند که
نوترینوها دارای جرمی بسیار کم ولی غیر صفر هستند که تقریبا 1میلیون بار
از یک الکترون کوچک ترند. این مقدارها با بررسی انرژی های جابه جا شده در
واکنش های بین ذرات شناخته شده به دست می آیند. در مقالات فیزیک مدرن
کلپدر-کلینگروتائوسKlapdor-Kleingrothaus و همکارانش ادعا می کنند که موفق به دیدن یک نوع جدید از تضیف هسته ای شده اند.

اگر
این ادعا درست باشد، می توان این نتیجه را دریافت که هر سه نوع نوترینوها
دارای جرمی یکسان هستند و پنجره ای در فیزیک به رویمان باز خواهد شد که به
ما اجازه می دهد تا اطلاعات خود را بالاتر ببریم.

شکل2

برای
آن که جرم یک نوترینو رو را تصور کنیم، یک ذره ی بنیادی مانند الکترون را
در نظر بگیرید که حدود 1800 برابر از پروتون سبک تر است و نسبت به سنگین
ترین ذره ی بنیادی شناخته شده یعنی بوزون های WوZو
کوارک های بالا 200000 برابر سبک تر است. علت این همه اختلاف جرم حتی در
مدل استاندارد ذرات بنیادی خود در هاله ای از ابهام است. در مقابل، پیش تر
نوترینوها بدون جرم تصور می شدند.
کلید ما "دستوارگی" است. در بیوشیمی دستوارگی ،handedness یک ملکول را توصیف می کند که ممکن است از شکل آینه ی خود متفاوت باشد. یک ملکول ساده مانند H2O مانند شکل آینه ای آن به نظر می رسید ولی یک ملکول پیچیده تر مانند
دگستروز(شکلی از گلوکز) این طور نیست. ملکول های دستواره در زیست شناسی
بسیار با اهمیت هستند ولی شکل آینه ای آن ها نه، چون معتقدند که در تکامل
زندگی به طور اتفاقی شکل یافته اند تا این که دارای تفاوت هایی ذاتی با
شکل اصلی خود داشته باشد.
نوترینو ها یک شکلی شبیه به دستوارگی دارند.
ذرات بنیادی یک حرکت چرخشی(اسپین) ذاتی دارند. بیش تر ذرات می توانند هم
به صورت چپ گرد و هم به صورت راست گرد حول محور جهت حرکتشان بچرخند ولی
نوترینوها فقط به صورت چپ گرد می چرخند.شکل2. مانند دستوارگی در زیست
شناسی می توانیم این را به یک حادثه نسبت دهیم که در این جا آن حادثه بیگ
بنگ است. داشتن خاصیت دستوارگی همیشگی برای ذرات دارای جرم غیر ممکن است
(چون جهت حرکت اسپینی یک ذره ی دارای جرم می تواند به حالت پایدار خود
تغییر پیدا کند) بنابراین فیزیکدانان نتیجه گرفتند که نوترینو ها دارای
جرمی معادل صفر اند.

ولی
در این جا یک مشکل در این بحث داریم که به پادماده مربوط می شود. هر ذره ی
بنیادی پاد ذره ی مربوط به خود را دارد با جرمی برابر ولی بار الکتریکی
مخالف. به عنوان مثال پادذره ی الکترون پوزیترون است. نوترینو هم یک
پادذره ی خودش را دارد:پادنوترینو. پادنوترینو حالت دستوارگی مخالف
نوترینو را داراست-همیشه در جهت راست گرد حول محور جهت حرکتش می چرخد. شکل2

جدا
از شکل دستوارگی آن ها چه طور نوترینو را از پادنوترینو تشخیص می دهید؟
هردوی آن ها دارای بار الکتریکی خنثی و جرمی برابر هستند. ولی یک مقدار
بارپایسته دیگری در انجام واکنش های بین ذرات وجود دارد: عدد لپتون .
الکترون و نوترینو لپتون هستند و پوزیترون و پادنوترینو، پادلپتون
هستند.تعداد لپتون منهای تعداد پادلپتون در یک واکنش عدد لپتون نامیده می
شود. لپتون ها و پادلپتون ها می توانند با روش های مختلفی ایجاد شوند
مانند تبدیل شدن یک نوترون به یک پروتون، یک الکترون و یک پادنوترینو. در
این مثال هیچ لپتونی در ابتدا وجود ندارد(نوترون باریون است) بعد یک
لپتون(الکترون) و یک پادلپتون(پادنوترینو) ایجاد شده اند بنابراین عدد
لپتون ثابت مانده است. در حقیقت این در تمام تبدیلات ذرات بنیادی پایسته
است.

پایستگی
عدد لپتون از آزمایشات برگرفته شد و هیچگونه توضیح تئوری در مورد آن وجود
نداشت. در دهه ی هفتاد تحقیقات جدید در مورد مدل استاندارد فیزیک انرژی
بالا چند بینش را پیشنهاد کرد: ذرات را در مدلی فرض کنیم که در آن به وجود
آمده اند که در این جا هم غیر ممکن است که پایستگی عدد لپتون را بشکند.مدل
استاندارد قبلا از این که فیزیکدان از آن فراتر بروند هم بوده است. آن ها
می خواهند یک نظریه متحدی را به وجود بیاورند تا وجود ذرات و نیروهای
بنیادی را سبب شود نه این که آن ها را توصیف کند به عنوان یک مدل
استاندارد. در این قالب بیش تر آرزومندانه-که به آن "اتحاد بزرگ" می
گویند- پایستگی عدد لپتون به صورت خودکار نیست. بنابراین یک دیدگاه جدید
ایجاد شد: عدد لپتون باید تقریبا در طبیعت ثابت باشد چون در مدل های
استاندارد خوبی امتحان شده است ولی باید کمی توسط اثر اتحاد بزرگ از آن
تجاوز کند.

اگر
عدد لپتون ثابت نباشد طولی نخواهد کشید که یک راهی برای تشخیص یک نوترینو
از یک پادنوترینو ساخته خواهد شد. آن ها می توانستند در واقع دو نوع از یک
ذره باشند. ذره که به صورت راست گرد و یا چپ گرد باشد.شکل2. مانند یک ذره
مانند الکترون. بنابراین اگر عدد لپتون ثابت نباشد، نوترینو می توانست جرم
داشته باشد. ولی جرم می تواند خیلی کوچک باشد که این از اثری ناشی می شود
که در مدل استاندارد غائب است. اندازه گیری جرم های بسیار کوچک بسیار سخت
است ولی مطالعات انجام شده بر روی تضعیف هسته ای تریتیوم نشان داده است که
یک نوع از نوترینو حدودا کم تر از 2الکترون ولت است.
مطالعه و جست و جو
بر روی جرم نوترینو به این عامل هم بستگی دارد که سه نوع نوترینو وجود
دارد: الکترون نوترینو، مئون نوترینو و تائو نوترینو(که هر کدام از آن ها
به ترتیب با الکترون،مئون و تائو لپتون ها به وجود می آیند). این ما را به
احتمال یک اثر مکانیک کوانتومی هدایت می کند: در هنگام عبور از یک خلا، یک
نوترینو می تواند بدون اختیار از یک نوع به یک نوع دیگر تبدیل شود. این با
"نوسان نوترینو" شناخته می شود و تنها زمانی می تواند رخ دهد که نوترینو
دارای جرم باشد.

در
حال حاضر شواهد بسیاری برای نوسان نوترینو وجود دارد هم برای نوترینو هایی
که توسط خورشید تولید می شوند و هم برای نوترینوهایی که از پرتوهای
کیهانی، در اتمسفر زمین ایجاد می شود.(تبدیل نوترینوها در "نوسان نوترینو"
تناقض میان تعداد نوترینوهایی که ما انتظار داریم خورشید تولید کرده باشد
و تعداد نوترینوهایی که ما آشکار می کنیم را حل کرده است.) نتایج آزمایشات
فقط از یک دسته ی ناقص از جرم های نوترینو هاحمایت می کند که از نظریه ی
اتحاد بزرگ ناشی می شود. این آزمایش همچنین یک نتیجه تعجب برانگیز را
داشته است که زوایای ترکیبی (mixing angles)(که
احتمال این که یک نوترینو از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شود را معین کند)
خیلی بزرگ تر از آن هستند که نظریه پردازان انتظار داشتند.

به
نظر می رسد که منطقی باشد که از طریق نتایج حاصل از ناپایستگی عدد لپتون
نسبت به جرم نوترینو تردید داشته باشیم. ولی نوسان نوترینو خود به تنهایی
نمی تواند نشان دهد که عدد لپتون ثابت است. خب آیا ما می توانیم این را از
راهی دیگر انجام دهیم؟ این چیزی است کهKlapdor-Kleingrothaus ادعا می کنند با مشاهده ی تضیف Ge76 -هفتاد و شش عدد جرمی است- به Se76و2e -هفتاد و شش عدد جرمی است-توانسته اند انجام بدهند. این واکنش "تضعیف
دوتایی بدون نوترینو" نامیده می شود و حالت پایانی دارای دو الکترون
است(که به عنوان ذراتb شناخته می شوند) و پادنوترینویی مشاهده نمی شود-بنابراین واکنش با دو واحد
از پایستگی عدد لپتون تجاوز می کند. اگر اندازه گیری های نوسان نوترینو را
با این فرض که ذرات مربوط همان سه ذره ی شناخته شده باشند را در کنار هم
قرار دهیم آن گاه می توانیم این را دریابیم که هر سه نوع نوترینو دارای
جرمی یکسان هستند، حدودا چند ده الکترون ولت. این یک نتیجه ای کاملا تعجب
برانگیز است چون دیگر ذرات خانوادگی مانند کوارک ها و لپتون های باردار
شده دارای جرمی یکسان نیستند. و این فشار زیادی را روی تئوری جرم نوترینو
خواهد گذاشت.

البته
باید به طبیعت سخت و استثنایی این آزمایش هم توجه کرد.البته نسبت به تحلیل
های نویسنده در مورد پس زمینه و استخراج یک سیگنال بسیار کوچک هم انتقاد
هایی شده است12و13 در هر صورت در آزمایش های طراحی شده در آینده استفاده
از قسمت هایی بزرگ تر از Ge76(یا
هسته هایی شبیه) می تواند حساسیت و دقتی بالاتر را به ارمغان بیاورد. با
تخمین زدن اندازه گیری های "نوسان" قبل از این ادعا فیزیکدانان حدس زده
بودند که برای نقض پایستگی عدد لپتون به دقتی معادل 1000 یا 10000برابر
این آزمایش نیاز است.

فیزیک
پزشکی به معنی کاربرد فیزیک در حرفه پزشکی است، مانند رادیوگرافی ،
سونوگرافی ، بینایی‌سنجی و غیره. چون بیوفیزیک به معنی فیزیک حیات است،
فیزیک پزشکی درباره فیزیک حیات بشر بحث می‌کند. مانند گردش خون ، آناتومی
گوش ، آناتومی چشم و غیره. از طرفی بکارگیری اصول و قوانین این گروههای
علمی در طرح‌ریزی و یا ساختن یک سیستم ، به ترتیب مهندسی پزشکی و
بیومهندسی نامیده می‌شود.

تاسیس دوره‌های آموزشی مهندسی پزشکی و بیومهندسی از ضروریات یک جامعه
پشرفته است. از طرف دیگر ، آموزش فیزیک و بیوفیزیک پزشکی ، مقدم بر آموزش
تکنولوژی و یا مهندسی پزشکی است. به عبارت دیگر ، می‌توان چنین بیان کرد
که فیزیک پزشکی ، ابزاری بسیار قوی و قدرتمند است که می‌تواند در اختیار
پزشکان و مهندسان پزشکی قرار گیرد. در واقع در سایر رشته‌های مهندسی نیز
تقریبا همین شرایط حاکم است. به‌عنوان مثال ، در فیزیک الکترونیک ساختار
قطعات الکترونیکی به ‌دقت مورد بررسی قرار می‌گیرد. حال آنکه در مهندسی
الکترونیک بیشتر کاربرد این قطعات مورد تاکید قرار می‌گیرد.

ضرورت آشنایی با فیزیک پزشکی

امروزه به ‌واسطه پیشرفت سریع تکنولوژی و افزایش روزافزون دستگاهها در
بیمارستانها و کلینیکها نه تنها وجود هزاران مهندس پزشکی در جامعه ما مورد
نیاز است، بلکه پزشکان و پیراپزشکان باید در زمینه نگهداری از دستگاهها
نیز توانا باشند و لازمه این امر نیز آشنایی با فیزیک پزشکی است.

عواقب بی‌‌توجهی به فیزیک پزشکی

بی‌توجهی به اصول فیزیکی حاکم بر کار تشخیص و درمان ، باعث تشدید
بیماری ، اتلاف وقت و سرمایه ملی و بالاخره اتلاف جان بیماران خواهدشد. به
‌عنوان مثال ، می‌توان از بی‌دقتی در اندازه‌گیری مواد رادیواکتیو مصرفی
در بخش پزشکی هسته‌ای یاد کرد که گاهی باعث نمایش نادرست تصویر ارگان مورد
آزمایش می‌شود. اگر بخواهیم تمام ناهماهنگیها و گرفتاری‌های حاصل از ناآگاهی از فیزیک پزشکی را بیان کنیم، شاید چندین مقاله نیز کفایت نکند.

فواید آشنایی پزشکان و پیراپزشکان با فیزیک پزشکی

برای انجام صحیح کارهای تشخیصی و درمانی و جلوگیری از آسیبهای وارده به
بیماران و حفظ و حراست دستگاهها ، باید به فیزیک مربوطه تسلط داشته‌
باشیم. بدین معنی که همه فارغ‌التحصیلان رشته‌های پزشکی و پیراپزشکی باید
به اصول فیزیک پزشکی آشنایی کافی پیدا کنند، تا به نگهداری از دستگاهها و
انجام صحیح کار با آنها توانایی داشته ‌باشند. در این صورت نه‌ تنها
احتیاج ما به مهندسی پزشکی بصورت روزافزون احساس نمی‌شود، بلکه از
آسیب‌دیدن دستگاهها و خرید دستگاههای ناخواسته جلوگیری خواهد شد.

چگونه فیزیک پزشکی بخوانیم؟

فیزیک پزشکی یکی از گرایشهای فیزیک در مقطع کارشناسی ارشد می‌باشد. به
‌بیان دیگر ، دانشجویان رشته فیزیک بعد از اخذ مدرک کارشناسی در این رشته
، می‌توانند بعد از امتحان ورودی وارد رشته فیزیک پزشکی شده و مدرک فوق
لیسانس خود را در این رشته اخذ نمایند. البته لازم به ذکر است که در کشور
ما ، در مقایسه با سایر گرایش‌های رشته فیزیک که در بیشتر دانشگاهها ارائه
می‌گردد، گرایش فیزیک پزشکی در تعداد کمی از دانشگاهها وجود دارد.

ارتباط فیزیک پزشکی با سایر علوم

می‌توان گفت که رشته فیزیک تقریبا با بیشتر شاخه‌های علوم ارتباط دارد.
رابطه فیزیک با پزشکی نیز از طریق فیزیک پزشکی برقرار می‌شود. به ‌بیان
دیگر ، فیزیک پزشکی مانند پلی است که بین شاخه‌های مختلف فیزیک و پزشکی
وجود دارد. به ‌عنوان مثال ، فیزیک پزشکی با گرایش‌های لیزر و فیزیک
هسته‌ای ارتباط تنگاتنگ دارد.

آینده فیزیک پزشکی

با توجه به کاربردی که علوم در بهینه‌سازی زندگی بشر دارد، توجه
اندیشمندان و نخبگان دنیا به پیشرفت و ترقی شاخه‌های مختلف علمی معطوف شده
است. لذا در حال حاضر شاهد پیشرفت وسیع تکنولوژی هستیم. هر روز وسایل جدید
و پیشرفته‌تری ساخته می‌شوند که نسبت به وسایل قبلی از کارایی بیشتری
برخوردار هستند. بوجود آمدن وسایل پیشرفته و استفاده از آنها نیازمند
تربیت افراد متخصص در این زمینه است.

به بیان دیگر ، هر روز وسایل مختلف پیشرفته‌ای در علم پزشکی بوجود
می‌آیند. مثلا چاقوی لیزری ، چاقوی پلاسمایی و … چند نمونه از این موارد
فوق‌العاده زیاد هستند. اما برای استفاده بهینه از این وسایل و جلوگیری از
صدمات جانبی آنها که جان بیمارانی را که بوسیله این ابزار مورد درمان قرار
می‌گیرند، وجود متخصصین فیزیک پزشکی ، امری اجتناب ناپذیر است. بنابراین
باید در این زمینه سرمایه‌گذاری بیشتری انجام شده و نسبت به تربیت چنین
افرادی اقدام شود، تا ما نیز در آینده بتوانیم از این حیث به خودکفایی
برسیم و شاهد هیچگونه آسیبی ناشی از استفاده نادرست این ابزارها نباشیم.

لینک مقاله در تالار های گفتگوی علمی دانشجویان