Neutrino je elementarna čestica koja je vrlo slična elektronu, ali nema električni naboj. Ima vrlo malu masu, koja može biti čak i nula. Brzina neutrina također ovisi o masi. Razlika u vremenu dolaska čestice i svjetlosti je 0,0006% (± 0,0012%). Godine 2011., tijekom eksperimenta OPERA, ustanovljeno je da brzina neutrina premašuje brzinu svjetlosti, ali neovisno iskustvo to nije potvrdilo.
Neuhvatljiva čestica
Ovo je jedna od najčešćih čestica u svemiru. Budući da vrlo malo stupa u interakciju s materijom, nevjerojatno ga je teško otkriti. Elektroni i neutrini ne sudjeluju u jakim nuklearnim interakcijama, ali podjednako sudjeluju u slabim. Čestice s tim svojstvima nazivaju se leptoni. Osim elektrona (i njegove antičestice, pozitrona), nabijeni leptoni uključuju mion (200 masa elektrona), tau (3500 masa elektrona) i njihove antičestice. Nazivaju se tako: elektronski, mionski i tau-neutrini. Svaki od njih ima antimaterijalnu komponentu zvanu antineutrino.
Muon i tau, poput elektrona, imaju čestice koje ih prate. To su mionski i tau neutrini. Tri vrste čestica se razlikuju jedna od druge. Na primjer, kada mionski neutrini stupe u interakciju s metom, uvijek proizvode mione, nikad tau ili elektrone. U interakciji čestica, iako se elektroni i elektron-neutrini mogu stvoriti i uništiti, njihov zbroj ostaje nepromijenjen. Ova činjenica dovodi do podjele leptona u tri vrste, od kojih svaka ima nabijeni lepton i prateći neutrino.
Za detekciju ove čestice potrebni su vrlo veliki i iznimno osjetljivi detektori. Obično će niskoenergetski neutrini putovati mnogo svjetlosnih godina prije interakcije s materijom. Posljedično, svi zemaljski eksperimenti s njima oslanjaju se na mjerenje njihove male frakcije u interakciji sa snimačima razumne veličine. Na primjer, u opservatoriju Sudbury Neutrino, koji sadrži 1000 tona teške vode, oko 1012 solarnih neutrina u sekundi prolazi kroz detektor. A nađe se samo 30 dnevno.
Povijest otkrića
Wolfgang Pauli prvi je postulirao postojanje čestice 1930. U to je vrijeme nastao problem jer se činilo da energija i kutni moment nisu sačuvani u beta raspadu. Ali Pauli je primijetio da ako se emitira neutralna neutrina čestica koja nije u interakciji, tada će se poštovati zakon održanja energije. Talijanski fizičar Enrico Fermi razvio je teoriju beta raspada 1934. i čestici dao ime.
Unatoč svim predviđanjima, 20 godina neutrina nije bilo moguće eksperimentalno otkriti zbog njegove slabe interakcije s materijom. Budući da čestice nisu električnonabijene, na njih ne utječu elektromagnetske sile, pa stoga ne uzrokuju ionizaciju tvari. Osim toga, oni reagiraju s materijom samo kroz slabe interakcije zanemarive snage. Stoga su one najprodornije subatomske čestice, sposobne proći kroz ogroman broj atoma bez ikakve reakcije. Samo 1 od 10 milijardi ovih čestica, putujući kroz materiju na udaljenosti jednaku promjeru Zemlje, reagira s protonom ili neutronom.
Konačno, 1956. godine grupa američkih fizičara na čelu s Frederickom Reinesom objavila je otkriće elektron-antineutrina. U njezinim eksperimentima, antineutrini emitirani iz nuklearnog reaktora stupali su u interakciju s protonima kako bi tvorili neutrone i pozitrone. Jedinstveni (i rijetki) energetski potpisi ovih najnovijih nusproizvoda pružaju dokaz za postojanje čestice.
Otkriće nabijenih mionskih leptona postalo je polazište za naknadnu identifikaciju druge vrste neutrina - miona. Njihova je identifikacija provedena 1962. na temelju rezultata pokusa u akceleratoru čestica. Visokoenergetski mionski neutrini nastali su raspadom pi-mezona i poslani u detektor na način da se mogu proučavati njihove reakcije s materijom. Iako su nereaktivne, kao i druge vrste ovih čestica, utvrđeno je da u rijetkim slučajevima kada reagiraju s protonima ili neutronima, mion-neutrini stvaraju mione, ali nikad elektrone. 1998. američki fizičari Leon Lederman, Melvin Schwartz i Jack Steinbergerdobio Nobelovu nagradu za fiziku za identifikaciju mionskog neutrina.
Sredinom 1970-ih, fizika neutrina je dopunjena drugom vrstom nabijenih leptona - tau. Pokazalo se da su tau neutrino i tau antineutrino povezani s ovim trećim nabijenim leptonom. 2000. fizičari u Nacionalnom akceleratorskom laboratoriju. Enrico Fermi izvijestio je o prvim eksperimentalnim dokazima o postojanju ove vrste čestica.
Misa
Sve vrste neutrina imaju masu koja je mnogo manja od mase njihovih nabijenih parnjaka. Na primjer, eksperimenti pokazuju da masa elektrona i neutrina mora biti manja od 0,002% mase elektrona i da zbroj masa triju vrsta mora biti manji od 0,48 eV. Dugi niz godina činilo se da je masa čestice nula, iako nije bilo uvjerljivih teorijskih dokaza zašto bi to bilo tako. Zatim, 2002. godine, Sudbury Neutrino Observatory pružio je prvi izravni dokaz da elektron-neutrini emitirani nuklearnim reakcijama u jezgri Sunca mijenjaju tip dok putuju kroz nju. Takve "oscilacije" neutrina su moguće ako jedna ili više vrsta čestica imaju neku malu masu. Njihova istraživanja interakcije kozmičkih zraka u Zemljinoj atmosferi također ukazuju na prisutnost mase, ali su potrebni daljnji eksperimenti da bi se to preciznije odredilo.
Izvori
Prirodni izvori neutrina su radioaktivni raspad elemenata u utrobi Zemlje, u kojememitira se veliki tok niskoenergetskih elektrona-antineutrina. Supernove su također pretežno neutrinski fenomen, budući da samo te čestice mogu prodrijeti u supergusti materijal proizveden u zvijezdi koja kolabira; samo se mali dio energije pretvara u svjetlost. Proračuni pokazuju da je oko 2% Sunčeve energije energija neutrina proizvedenih u reakcijama termonuklearne fuzije. Vjerojatno je da se većina tamne tvari u svemiru sastoji od neutrina proizvedenih tijekom Velikog praska.
Problemi fizike
Polja vezana za neutrine i astrofiziku su raznolika i brzo se razvijaju. Trenutna pitanja koja privlače veliki broj eksperimentalnih i teorijskih pokušaja su sljedeća:
- Kolike su mase različitih neutrina?
- Kako utječu na kozmologiju Velikog praska?
- Osciliraju?
- Mogu li se neutrini jedne vrste transformirati u drugu dok putuju kroz materiju i prostor?
- Jesu li neutrini fundamentalno različiti od svojih antičestica?
- Kako se zvijezde urušavaju i formiraju supernove?
- Koja je uloga neutrina u kozmologiji?
Jedan od dugotrajnih problema od posebnog interesa je takozvani problem solarnih neutrina. Ovaj naziv se odnosi na činjenicu da je tijekom nekoliko zemaljskih eksperimenata provedenih tijekom posljednjih 30 godina dosljedno promatrano manje čestica nego što je potrebno za proizvodnju energije koju emitira sunce. Jedno od njegovih mogućih rješenja je oscilacija, tj. transformacija elektronikeneutrina u mione ili tau dok putuju na Zemlju. Budući da je mnogo teže izmjeriti niskoenergetske mionske ili tau neutrine, ova vrsta transformacije mogla bi objasniti zašto ne opažamo točan broj čestica na Zemlji.
Četvrta Nobelova nagrada
Nobelova nagrada za fiziku za 2015. dodijeljena je Takaakiju Kajiti i Arthuru McDonaldu za njihovo otkriće mase neutrina. Ovo je bila četvrta takva nagrada vezana uz eksperimentalna mjerenja ovih čestica. Neki bi se mogli zapitati zašto bi nam toliko bilo stalo do nečega što jedva dolazi u interakciju s običnom materijom.
Sama činjenica da možemo otkriti ove efemerne čestice dokaz je ljudske domišljatosti. Budući da su pravila kvantne mehanike vjerojatnostna, znamo da će, iako gotovo svi neutrini prolaze kroz Zemlju, neki od njih stupiti u interakciju s njom. Detektor dovoljno velik da to otkrije.
Prvi takav uređaj izgrađen je šezdesetih godina duboko u rudniku u Južnoj Dakoti. Rudnik je napunjen sa 400 tisuća litara tekućine za čišćenje. U prosjeku, jedna čestica neutrina svaki dan stupi u interakciju s atomom klora, pretvarajući ga u argon. Nevjerojatno, Raymond Davis, koji je bio zadužen za detektor, smislio je način da otkrije ovih nekoliko atoma argona, a četiri desetljeća kasnije, 2002., dobio je Nobelovu nagradu za ovaj nevjerojatan tehnički podvig.
Nova astronomija
Budući da neutrini djeluju tako slabo, mogu putovati na velike udaljenosti. Daju nam priliku da pogledamo mjesta koja inače nikada ne bismo vidjeli. Neutrini koje je Davis otkrio nastali su nuklearnim reakcijama koje su se odvijale u samom središtu Sunca, a uspjeli su pobjeći iz ovog nevjerojatno gustog i vrućeg mjesta samo zato što jedva stupaju u interakciju s drugom materijom. Moguće je čak otkriti i neutrin koji leti iz središta eksplodirajuće zvijezde na udaljenosti od sto tisuća svjetlosnih godina od Zemlje.
Osim toga, ove čestice omogućuju promatranje svemira u vrlo maloj skali, mnogo manjoj od onoga u što može istražiti Veliki hadronski sudarač u Ženevi, koji je otkrio Higgsov bozon. Upravo je iz tog razloga Nobelov odbor odlučio dodijeliti Nobelovu nagradu za otkriće još jedne vrste neutrina.
Tajanstveni nestali
Kada je Ray Davis promatrao solarne neutrine, pronašao je samo trećinu očekivanog broja. Većina fizičara je vjerovala da je razlog tome loše poznavanje astrofizike Sunca: možda su modeli unutrašnjosti zvijezde precijenili broj neutrina proizvedenih u njoj. Ipak, tijekom godina, čak i kako su se solarni modeli poboljšavali, nestašice su se nastavile. Fizičari su skrenuli pozornost na još jednu mogućnost: problem bi mogao biti povezan s našim razumijevanjem ovih čestica. Prema tada prevladavajućoj teoriji, nisu imali masu. No neki su fizičari tvrdili da su čestice zapravo imale beskonačno male vrijednostimasa, a ta je masa bila razlog njihove nestašice.
Čestica s tri lica
Prema teoriji neutrina, u prirodi postoje tri različite vrste neutrina. Ako čestica ima masu, tada se, dok se kreće, može mijenjati iz jedne vrste u drugu. Tri vrste - elektron, mion i tau - pri interakciji s materijom mogu se pretvoriti u odgovarajuću nabijenu česticu (elektron, mion ili tau lepton). "Oscilacija" nastaje zbog kvantne mehanike. Vrsta neutrina nije konstantna. S vremenom se mijenja. Neutrino, koji je započeo svoje postojanje kao elektron, može se pretvoriti u mion, a zatim natrag. Dakle, čestica nastala u jezgri Sunca, na svom putu prema Zemlji, može se povremeno pretvoriti u mion-neutrino i obrnuto. Budući da je Davisov detektor mogao detektirati samo elektronske neutrine sposobne dovesti do nuklearne transmutacije klora u argon, činilo se mogućim da su se neutrini koji su nedostajali pretvorili u druge vrste. (Kao što se ispostavilo, neutrini osciliraju unutar Sunca, a ne na putu do Zemlje.)
kanadski eksperiment
Jedini način da se ovo testira je da se napravi detektor koji je radio za sve tri vrste neutrina. Od 1990-ih, Arthur McDonald sa sveučilišta Queen's Ontario predvodi tim koji je to učinio u rudniku u Sudburyju, Ontario. Objekt je sadržavao tone teške vode posuđene od kanadske vlade. Teška voda je rijedak, ali prirodan oblik vode u kojem vodik, koji sadrži jedan proton,zamijenjen svojim težim izotopom deuterijem, koji sadrži proton i neutron. Kanadska vlada napravila je zalihe teške vode jer se koristi kao rashladno sredstvo u nuklearnim reaktorima. Sve tri vrste neutrina mogle su uništiti deuterij kako bi se formirali proton i neutron, a neutroni su zatim prebrojani. Detektor je registrirao oko tri puta veći broj čestica u usporedbi s Davisom – točno onoliko koliko su predvidjeli najbolji modeli Sunca. To je sugeriralo da bi elektron-neutrino mogao oscilirati u svoje druge vrste.
japanski eksperiment
Približno u isto vrijeme, Takaaki Kajita sa Sveučilišta u Tokiju radio je još jedan izvanredan eksperiment. Detektor instaliran u rudniku u Japanu registrirao je neutrine koji ne dolaze iz utrobe Sunca, već iz gornje atmosfere. Kada se protoni kozmičkih zraka sudare s atmosferom, nastaju pljuskovi drugih čestica, uključujući mionske neutrine. U rudniku su jezgre vodika pretvorili u mione. Detektor Kajita mogao je vidjeti čestice koje dolaze u dva smjera. Neki su pali odozgo, dolazeći iz atmosfere, dok su se drugi kretali odozdo. Broj čestica bio je različit, što je ukazivalo na njihovu različitu prirodu - bile su u različitim točkama svojih ciklusa osciliranja.
Revolucija u znanosti
Sve je to egzotično i nevjerojatno, ali zašto oscilacije i mase neutrina privlače toliko pažnje? Razlog je jednostavan. U standardnom modelu fizike čestica razvijenom tijekom posljednjih pedeset godina dvadesetog stoljeća,koji su ispravno opisivali sva druga opažanja u akceleratorima i drugim eksperimentima, neutrini su trebali biti bez mase. Otkriće mase neutrina sugerira da nešto nedostaje. Standardni model nije potpun. Elementi koji nedostaju tek trebaju biti otkriveni, bilo putem Velikog hadronskog sudarača ili drugog stroja koji tek treba biti stvoren.
