Neutrino to cząstka elementarna, która jest bardzo podobna do elektronu, ale nie ma ładunku elektrycznego. Ma bardzo małą masę, która może wynosić nawet zero. Prędkość neutrina również zależy od masy. Różnica w czasie nadejścia cząstki i światła wynosi 0,0006% (± 0,0012%). W 2011 roku podczas eksperymentu OPERA stwierdzono, że prędkość neutrin przekracza prędkość światła, ale niezależne doświadczenie tego nie potwierdziło.
Nieuchwytna cząsteczka
To jedna z najczęstszych cząstek we wszechświecie. Ponieważ oddziałuje bardzo mało z materią, jest niezwykle trudny do wykrycia. Elektrony i neutrina nie uczestniczą w silnych oddziaływaniach jądrowych, ale w równym stopniu uczestniczą w oddziaływaniach słabych. Cząstki o tych właściwościach nazywane są leptonami. Oprócz elektronu (i jego antycząstki, pozytonu), naładowane leptony obejmują mion (200 mas elektronów), tau (3500 mas elektronów) i ich antycząstki. Nazywa się je tak: neutrina elektronowe, mionowe i taonowe. Każdy z nich zawiera antymateriałowy składnik zwany antyneutrinem.
Mion i tau, podobnie jak elektron, mają towarzyszące im cząstki. Są to neutrina mionowe i taonowe. Te trzy rodzaje cząstek różnią się od siebie. Na przykład, kiedy neutrina mionowe oddziałują z celem, zawsze wytwarzają miony, nigdy tau czy elektrony. W interakcji cząstek, chociaż elektrony i neutrina elektronowe mogą być tworzone i niszczone, ich suma pozostaje niezmieniona. Fakt ten prowadzi do podziału leptonów na trzy typy, z których każdy ma naładowany lepton i towarzyszące mu neutrino.
Do wykrycia tej cząstki potrzebne są bardzo duże i niezwykle czułe detektory. Zazwyczaj neutrina o niskiej energii będą podróżować wiele lat świetlnych, zanim wejdą w interakcję z materią. W związku z tym wszystkie eksperymenty naziemne z nimi polegają na pomiarze ich niewielkiej frakcji w interakcji z rejestratorami o rozsądnych rozmiarach. Na przykład w Sudbury Neutrino Observatory, zawierającym 1000 ton ciężkiej wody, przez detektor przechodzi około 1012 neutrin słonecznych na sekundę. A znaleziono tylko 30 dziennie.
Historia odkryć
Wolfgang Pauli po raz pierwszy postulował istnienie cząstki w 1930 roku. Pojawił się wtedy problem, ponieważ wydawało się, że energia i moment pędu nie są zachowane w rozpadzie beta. Pauli zauważył jednak, że jeśli wyemitowana zostanie nieoddziałująca obojętna cząstka neutrin, wówczas będzie przestrzegane prawo zachowania energii. Włoski fizyk Enrico Fermi opracował teorię rozpadu beta w 1934 roku i nadał cząsteczce jej nazwę.
Pomimo wszystkich przewidywań, przez 20 lat neutrina nie mogły być wykrywane eksperymentalnie z powodu ich słabego oddziaływania z materią. Ponieważ cząstki nie są elektrycznienaładowane, nie działają na nie siły elektromagnetyczne, a zatem nie powodują jonizacji materii. Ponadto reagują z materią jedynie poprzez słabe oddziaływania o znikomej sile. Dlatego są one najbardziej penetrującymi cząstkami subatomowymi, zdolnymi do przejścia przez ogromną liczbę atomów bez powodowania jakiejkolwiek reakcji. Tylko 1 na 10 miliardów tych cząstek, przemierzając materię na odległość równą średnicy Ziemi, reaguje z protonem lub neutronem.
W końcu, w 1956 roku, grupa amerykańskich fizyków kierowana przez Fredericka Reinesa ogłosiła odkrycie antyneutrina elektronowego. W jej eksperymentach antyneutrina emitowane z reaktora jądrowego oddziaływały z protonami, tworząc neutrony i pozytony. Unikalne (i rzadkie) sygnatury energetyczne tych najnowszych produktów ubocznych dostarczają dowodów na istnienie cząstki.
Odkrycie naładowanych leptonów mionowych stało się punktem wyjścia do późniejszej identyfikacji drugiego typu neutrin - mionów. Ich identyfikację przeprowadzono w 1962 roku na podstawie wyników eksperymentu w akceleratorze cząstek. Wysokoenergetyczne neutrina mionowe zostały wyprodukowane w wyniku rozpadu mezonów pi i przesłane do detektora w taki sposób, aby można było badać ich reakcje z materią. Chociaż są one niereaktywne, podobnie jak inne rodzaje tych cząstek, odkryto, że w rzadkich przypadkach, gdy reagują z protonami lub neutronami, neutrina mionowe tworzą miony, ale nigdy elektrony. W 1998 roku amerykańscy fizycy Leon Lederman, Melvin Schwartz i Jack Steinbergerotrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za identyfikację neutrina mionowego.
W połowie lat siedemdziesiątych fizyka neutrin została uzupełniona innym rodzajem naładowanych leptonów - tau. Z tym trzecim naładowanym leptonem powiązano neutrino tau i antyneutrino tau. W 2000 roku fizycy w Narodowym Laboratorium Akceleratora. Enrico Fermi przedstawił pierwsze eksperymentalne dowody na istnienie tego typu cząstek.
Msza
Wszystkie typy neutrin mają masę znacznie mniejszą niż ich naładowane odpowiedniki. Na przykład eksperymenty pokazują, że masa elektron-neutrino musi być mniejsza niż 0,002% masy elektronu, a suma mas trzech rodzajów musi być mniejsza niż 0,48 eV. Przez wiele lat wydawało się, że masa cząstki wynosi zero, chociaż nie było przekonujących dowodów teoretycznych, dlaczego tak powinno być. Następnie, w 2002 roku, Sudbury Neutrino Observatory dostarczyło pierwszego bezpośredniego dowodu na to, że neutrina elektronowe emitowane przez reakcje jądrowe w typie zmiany jądra Słońca podczas przechodzenia przez niego. Takie „oscylacje” neutrin są możliwe, jeśli jeden lub więcej rodzajów cząstek ma niewielką masę. Ich badania nad oddziaływaniem promieni kosmicznych w ziemskiej atmosferze również wskazują na obecność masy, ale potrzebne są dalsze eksperymenty, aby ją dokładniej określić.
Źródła
Naturalne źródła neutrin to radioaktywny rozpad pierwiastków w jelicie Ziemi, w którychemitowany jest duży strumień niskoenergetycznych elektronów-antyneutrin. Supernowe są również zjawiskiem głównie neutrinowym, ponieważ tylko te cząstki mogą przeniknąć supergęstą materię wytworzoną w zapadającej się gwieździe; tylko niewielka część energii jest zamieniana na światło. Obliczenia pokazują, że około 2% energii słonecznej to energia neutrin wytwarzanych w reakcjach fuzji termojądrowej. Jest prawdopodobne, że większość ciemnej materii we wszechświecie składa się z neutrin powstałych podczas Wielkiego Wybuchu.
Problemy fizyki
Dziedziny związane z neutrinami i astrofizyką są zróżnicowane i szybko się rozwijają. Aktualne pytania, które przyciągają dużą liczbę eksperymentalnych i teoretycznych wysiłków, są następujące:
- Jakie są masy różnych neutrin?
- Jak wpływają one na kosmologię Wielkiego Wybuchu?
- Czy one oscylują?
- Czy neutrina jednego typu mogą przekształcać się w inne podczas podróży przez materię i przestrzeń?
- Czy neutrina zasadniczo różnią się od ich antycząstek?
- Jak gwiazdy zapadają się i tworzą supernowe?
- Jaka jest rola neutrin w kosmologii?
Jednym z długotrwałych problemów o szczególnym znaczeniu jest tak zwany problem neutrin słonecznych. Nazwa ta odnosi się do faktu, że podczas kilku naziemnych eksperymentów przeprowadzonych w ciągu ostatnich 30 lat konsekwentnie obserwowano mniej cząstek niż potrzeba do wytworzenia energii emitowanej przez słońce. Jednym z możliwych rozwiązań jest oscylacja, czyli transformacja elektronicznaneutrina w miony lub tau podczas podróży na Ziemię. Ponieważ znacznie trudniej jest zmierzyć niskoenergetyczne neutrina mionowe lub tau, ten rodzaj transformacji może wyjaśniać, dlaczego nie obserwujemy prawidłowej liczby cząstek na Ziemi.
Czwarta Nagroda Nobla
Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2015 została przyznana Takaaki Kajita i Arthurowi McDonaldowi za odkrycie masy neutrin. Była to już czwarta taka nagroda związana z eksperymentalnymi pomiarami tych cząstek. Niektórzy mogą się zastanawiać, dlaczego powinniśmy tak bardzo dbać o coś, co ledwo wchodzi w interakcje ze zwykłą materią.
Sam fakt, że możemy wykryć te efemeryczne cząsteczki, jest świadectwem ludzkiej pomysłowości. Ponieważ zasady mechaniki kwantowej są probabilistyczne, wiemy, że chociaż prawie wszystkie neutrina przechodzą przez Ziemię, niektóre z nich będą z nią oddziaływać. Wykrywacz wystarczająco duży, aby to wykryć.
Pierwsze takie urządzenie zbudowano w latach sześćdziesiątych głęboko w kopalni w Dakocie Południowej. Kopalnia została wypełniona 400 tys. litrów płynu czyszczącego. Średnio jedna cząsteczka neutrina dziennie oddziałuje z atomem chloru, zamieniając go w argon. Niewiarygodne, Raymond Davis, który był odpowiedzialny za detektor, wymyślił sposób na wykrycie tych kilku atomów argonu, a cztery dekady później, w 2002 roku, otrzymał Nagrodę Nobla za ten niesamowity wyczyn techniczny.
Nowa Astronomia
Ponieważ neutrina oddziałują tak słabo, mogą pokonywać duże odległości. Dają nam możliwość zajrzenia w miejsca, których inaczej byśmy nie zobaczyli. Odkryte przez Davisa neutrina powstały w wyniku reakcji jądrowych zachodzących w samym centrum Słońca i były w stanie uciec z tego niesamowicie gęstego i gorącego miejsca tylko dlatego, że prawie nie wchodzą w interakcje z inną materią. Możliwe jest nawet wykrycie neutrina lecącego ze środka wybuchającej gwiazdy ponad sto tysięcy lat świetlnych od Ziemi.
Ponadto cząstki te umożliwiają obserwację Wszechświata w bardzo małej skali, znacznie mniejszej niż ten, w który może zajrzeć Wielki Zderzacz Hadronów w Genewie, który odkrył bozon Higgsa. Z tego powodu Komitet Noblowski postanowił przyznać Nagrodę Nobla za odkrycie jeszcze innego rodzaju neutrina.
Tajemnicze zaginięcie
Kiedy Ray Davis zaobserwował neutrina słoneczne, znalazł tylko jedną trzecią oczekiwanej liczby. Większość fizyków uważała, że przyczyną tego była słaba znajomość astrofizyki Słońca: być może modele wnętrza gwiazdy przeszacowywały liczbę wytwarzanych w niej neutrin. Jednak z biegiem lat, nawet w miarę ulepszania modeli słonecznych, niedobory utrzymywały się. Fizycy zwrócili uwagę na inną możliwość: problem może być związany z naszym zrozumieniem tych cząstek. Zgodnie z panującą wówczas teorią nie miały masy. Ale niektórzy fizycy twierdzili, że cząstki faktycznie miały nieskończenie małemasy, a ta masa była powodem ich niedoboru.
Cząstka trójstronna
Zgodnie z teorią oscylacji neutrin w naturze istnieją trzy różne typy neutrin. Jeśli cząsteczka ma masę, to podczas ruchu może zmieniać się z jednego typu na inny. Trzy rodzaje - elektron, mion i tau - podczas interakcji z materią mogą zostać przekształcone w odpowiednią naładowaną cząstkę (elektron, mion lub lepton tau). „Oscylacja” występuje z powodu mechaniki kwantowej. Rodzaj neutrina nie jest stały. Zmienia się w czasie. Neutrino, które zaczęło swoje istnienie jako elektron, może zamienić się w mion, a potem z powrotem. Tak więc cząstka utworzona w jądrze Słońca, w drodze na Ziemię, może okresowo zamieniać się w neutrino mionowe i odwrotnie. Ponieważ detektor Davisa mógł wykryć jedynie neutrina elektronowe zdolne do prowadzenia jądrowej transmutacji chloru w argon, wydawało się możliwe, że brakujące neutrina zamieniły się w inne typy. (Jak się okazuje, neutrina oscylują wewnątrz Słońca, a nie w drodze na Ziemię.)
Kanadyjski eksperyment
Jedynym sposobem, aby to przetestować, było zbudowanie detektora, który działałby dla wszystkich trzech typów neutrin. Od lat 90. Arthur McDonald z Queen's Ontario University kierował zespołem, który dokonał tego w kopalni w Sudbury w Ontario. Obiekt zawierał tony ciężkiej wody pożyczonej od rządu kanadyjskiego. Ciężka woda to rzadka, ale naturalnie występująca forma wody, w której wodór, zawierający jeden proton,zastąpiony przez cięższy izotop deuteru, który zawiera proton i neutron. Rząd kanadyjski zgromadził zapasy ciężkiej wody, ponieważ jest ona używana jako chłodziwo w reaktorach jądrowych. Wszystkie trzy typy neutrin mogły niszczyć deuter, tworząc proton i neutron, a następnie liczono neutrony. Detektor zarejestrował około trzykrotnie więcej cząstek niż Davis - dokładnie tyle, ile przewidywały najlepsze modele Słońca. Sugerowało to, że neutrino elektronowe może oscylować w inne typy.
Japoński eksperyment
Mniej więcej w tym samym czasie Takaaki Kajita z Uniwersytetu Tokijskiego przeprowadził kolejny niezwykły eksperyment. Detektor zainstalowany w kopalni w Japonii rejestrował neutrina pochodzące nie z wnętrzności Słońca, ale z górnych warstw atmosfery. Kiedy protony promieniowania kosmicznego zderzają się z atmosferą, tworzą się deszcze innych cząstek, w tym neutrin mionowych. W kopalni zamienili jądra wodoru w miony. Detektor Kajita mógł dostrzec cząsteczki nadlatujące w dwóch kierunkach. Niektóre spadały z góry, wychodząc z atmosfery, podczas gdy inne poruszały się z dołu. Liczba cząstek była różna, co świadczyło o ich odmiennym charakterze – znajdowały się w różnych punktach swoich cykli oscylacji.
Rewolucja w nauce
To wszystko jest egzotyczne i niesamowite, ale dlaczego oscylacje i masy neutrin przyciągają tak wiele uwagi? Powód jest prosty. W standardowym modelu fizyki cząstek elementarnych rozwijanym w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat XX wieku,które poprawnie opisywały wszystkie inne obserwacje w akceleratorach i innych eksperymentach, neutrina powinny być bezmasowe. Odkrycie masy neutrin sugeruje, że czegoś brakuje. Model Standardowy nie jest kompletny. Brakujące elementy nie zostały jeszcze odkryte, czy to przez Wielki Zderzacz Hadronów, czy przez inną maszynę, która jeszcze nie została stworzona.
