By John Beacom, Ohio State University

Neutrina wymagają cierpliwości. Są tego warte, a ogłoszenie Nagrody Nobla z fizyki w 2015 roku uznaje to, po powiązanych nagrodach w 1988, 1995 i 2002 roku. Jak na ironię, te prawie niewykrywalne cząstki mogą ujawnić rzeczy, których nie można zobaczyć w żaden inny sposób.

Mógłbym zacząć od powiedzenia wam, że neutrina są cząstkami elementarnymi, ale to brzmi protekcjonalnie. Nie nazywa się ich cząstkami elementarnymi dlatego, że są łatwe do zrozumienia – nie są – ale dlatego, że mają pozornie punktowy rozmiar i nie możemy ich rozłożyć na mniejsze składniki. Nie ma czegoś takiego jak połowa neutrina.

Najmniejsze rzeczy we wszechświecie

Atomy, pomimo greckiej nazwy („nie można ich przeciąć”), nie są cząstkami elementarnymi, co oznacza, że można je rozłożyć na części. Atom to rozproszona chmura elektronów otaczająca maleńkie, gęste jądro złożone z protonów i neutronów, które można rozłożyć na kwarki w górę i w dół.

Zderzarki cząstek, które przyspieszają cząstki do prędkości bliskiej prędkości światła i rozbijają je o siebie, pomagają nam odkrywać nowe cząstki elementarne. Po pierwsze, z powodu E = mc2, energia zderzenia może być zamieniona na masę cząstek. Po drugie, im wyższa energia wiązki w akceleratorze, tym dokładniej możemy rozróżnić złożone struktury, tak jak w przypadku promieniowania rentgenowskiego widzimy mniejsze rzeczy niż w świetle widzialnym.

Nie byliśmy w stanie rozebrać elektronów ani kwarków. Są to cząstki elementarne, tworzące podstawowe składniki zwykłej materii: klocki Lego wszechświata. Co ciekawe, istnieje wielu ciężkich kuzynów znanych nam cząstek, którzy istnieją tylko przez ułamki sekund, a więc nie są częścią zwykłej materii. Na przykład, dla elektronów są to mion i taon.

Co to jest neutrino?

Czym różni się ta cząstka elementarna – neutrino – od wszystkich innych cząstek elementarnych? Jest ona wyjątkowa, ponieważ jest zarówno prawie bezmasowa, jak i prawie nie oddziałuje. Te cechy są różne, choć często mylone (nie bierz rad o neutrinach od poety, nawet jeśli jest nim John Updike).

To tajemnica, dlaczego neutrina są prawie, ale nie całkiem, bezmasowe. Wiemy jednak, dlaczego prawie nie oddziałują: Nie czują sił elektromagnetycznych ani silnych, które wiążą jądra i atomy, tylko trafnie nazwaną siłę słabą (i grawitację, ale ledwo, bo ich masy są małe).

Chociaż neutrina nie są składnikami zwykłej materii, są wszędzie wokół nas – trylion ze Słońca przechodzi przez twoje oczy w każdej sekundzie. Na każdy centymetr sześcienny przypadają setki neutrin pozostałych po Wielkim Wybuchu. Ponieważ tak rzadko wchodzą w interakcje, prawie niemożliwe jest ich zaobserwowanie, a już na pewno nie odczucie.

Neutrina mają jeszcze inne dziwne cechy. Występują w trzech rodzajach, zwanych smakami – neutrina elektronowe, mionowe i taonowe, odpowiadające trzem naładowanym cząstkom, z którymi się łączą w pary – i wszystkie one wydają się stabilne, w przeciwieństwie do ciężkich kuzynów elektronu.

Ponieważ trzy smaki neutrin są niemal identyczne, istnieje teoretyczna możliwość, że mogą one zamieniać się w siebie nawzajem, co jest kolejnym niezwykłym aspektem tych cząstek, który może ujawnić nową fizykę. Taka przemiana wymaga trzech rzeczy: aby masy neutrin były niezerowe, różne dla różnych typów, oraz aby neutrina o określonym smaku były kwantowymi kombinacjami neutrin o określonej masie (nazywa się to „mieszaniem neutrin”).

Przez dziesięciolecia powszechnie oczekiwano, że żaden z tych warunków nie zostanie spełniony. Ale nie fizycy neutrin – mieliśmy nadzieję.

Robiąc astronomię z niewidzialnymi cząstkami

W końcu natura dostarczyła, a eksperymentatorzy dokonali odkryć, wspartych obliczeniami teoretyków. Najpierw nadeszły dekady poszukiwań w wielu eksperymentach, z ważnymi wskazówkami zachęcającymi do pogoni.

W 1998 roku eksperyment Super-Kamiokande w Japonii ogłosił mocny dowód na to, że neutrina mionowe produkowane w atmosferze Ziemi zmieniają się w inny typ (obecnie uważa się, że są to neutrina taonowe). Dowodem było zaobserwowanie, że dzieje się tak w przypadku neutrin, które przybyły z „dołu”, po przebyciu długiej drogi przez Ziemię, ale nie w przypadku tych z „góry”, które przebyły tylko krótką drogę przez atmosferę. Ponieważ strumień neutrin jest (prawie) taki sam w różnych miejscach na Ziemi, pozwoliło to na pomiar „przed” i „po”.

W 2001 i 2002 roku, Sudbury Neutrino Observatory w Kanadzie ogłosiło mocne dowody na to, że neutrina elektronowe produkowane w jądrze Słońca również zmieniają smaki. Tym razem dowodem było zaobserwowanie, że neutrina o smaku elektronowym, które zniknęły, pojawiły się ponownie jako inne typy (obecnie uważa się, że jest to mieszanka neutrin mionowych i taonowych).

Każdy z tych eksperymentów zaobserwował około połowę mniej neutrin niż przewidywały przewidywania teoretyczne. I, być może odpowiednio, Takaaki Kajita i Arthur McDonald otrzymali po połowie Nagrody Nobla.

W obu przypadkach efekty kwantowo-mechaniczne, które normalnie działają tylko na mikroskopijnych odległościach, zostały zaobserwowane na ziemskich i astronomicznych skalach odległości.

Jak napisano na pierwszej stronie The New York Times w 1998 roku, „Mass Found in Elusive Particle; Universe May Never Be the Same”. Te wyraźne oznaki zmiany smaku neutrin, potwierdzone i zmierzone szczegółowo w eksperymentach laboratoryjnych, pokazują, że neutrina mają masę i że te masy są różne dla różnych typów neutrin. Co ciekawe, nie wiemy jeszcze, jakie są wartości tych mas, choć inne eksperymenty pokazują, że muszą one być około milion razy mniejsze od masy elektronu, a być może nawet mniejsze.

Taki jest nagłówek. Reszta historii jest taka, że mieszanie pomiędzy różnymi smakami neutrin jest w rzeczywistości dość duże. Można by pomyśleć, że to zła wiadomość, gdy przewidywania zawodzą – na przykład, że nigdy nie będziemy w stanie zaobserwować zmiany smaku neutrin – ale ten rodzaj niepowodzeń jest dobry, ponieważ uczymy się czegoś nowego.

Międzynarodowe stowarzyszenie łowców neutrin

Cieszę się z tego wyróżnienia dla moich przyjaciół Taka i Arta. Chciałbym, aby kilka kluczowych osób, zarówno eksperymentatorów, jak i teoretyków, którzy przyczynili się w istotny sposób, zostało podobnie docenionych. Zbudowanie i prowadzenie tych eksperymentów zajęło wiele lat, a ich podstawą była powolna, trudna i w dużej mierze niewdzięczna praca trwająca dziesiątki lat i wymagająca wysiłku setek ludzi. Obejmuje to znaczący udział USA zarówno w Super-Kamiokande, jak i w Obserwatorium Neutrinowym Sudbury. Tak więc, gratulacje dla neutrin, dla Taka i Arta, oraz dla wielu innych, którzy sprawili, że stało się to możliwe!

Kiedy po raz pierwszy zacząłem pracować nad neutrinami, ponad 20 lat temu, wiele osób, w tym wybitni naukowcy, mówiło mi, że marnuję swój czas. Później inni namawiali mnie do pracy nad czymś innym, bo „ludzie, którzy pracowali nad neutrinami, nie dostają pracy”. I nawet teraz wielu fizyków i astronomów uważa, że uganiamy się za czymś niemal wyimaginowanym.

Ale tak nie jest. Neutrina są prawdziwe. Są istotną częścią fizyki, rzucając światło na pochodzenie masy, asymetrię cząstka-antycząstka we wszechświecie i być może na istnienie nowych sił, które są zbyt słabe, by sprawdzić je za pomocą innych cząstek. Są one również istotną częścią astronomii, ujawniając akceleratory o najwyższej energii we Wszechświecie, to, co znajduje się wewnątrz najgęstszych gwiazd, a także być może nowe i w inny sposób niewidoczne obiekty astrofizyczne.

Autor opisuje, w jaki sposób fakty, których dowiadujemy się o Wszechświecie, kształtują nasze poczucie sensu.

Małe cząstki, wielkie tajemnice

Dlaczego powinno cię to obchodzić, poza podzielaniem naszej ciekawości związanej z odkrywaniem najdziwniejszych rzeczy we Wszechświecie?

Słaba siła, którą odczuwają neutrina, zmienia protony w neutrony, napędzając reakcje syntezy jądrowej na Słońcu i w innych gwiazdach oraz tworząc pierwiastki, dzięki którym możliwe są planety i samo życie.

Neutrina są jedynym składnikiem ciemnej materii, który rozumiemy, a poznanie reszty pomoże nam zrozumieć strukturę i ewolucję wszechświata. Gdyby masy neutrin były znacznie większe, wszechświat wyglądałby zupełnie inaczej i być może nie byłoby nas tutaj, aby to zobaczyć.

Na koniec, jeśli chodzi o kwestie czysto praktyczne, fizyka neutrin i astrofizyka jest jedną z najtrudniejszych prac, wymagającą od nas wynalezienia niezwykle czułych detektorów i technik. Ta wiedza ma inne zastosowania; na przykład, używając detektora neutrin, moglibyśmy stwierdzić, czy rzekomy reaktor jądrowy jest włączony, jaki jest jego poziom mocy, a nawet czy produkuje pluton. Może to mieć pewne zastosowania w świecie rzeczywistym.

Ostatnie dekady w fizyce neutrin i astronomii były wspaniałe, ale niektóre z najbardziej ekscytujących rzeczy dopiero zaczynają się dziać. Obserwatorium neutrin IceCube na Biegunie Południowym obserwuje obecnie wysokoenergetyczne neutrina spoza naszej galaktyki. Super-Kamiokande ogłosiło plan, oparty na propozycji mojej i Marka Vaginsa, aby zwiększyć czułość na antyneutrina w porównaniu z neutrinami. Społeczność międzynarodowa ma nadzieję na zbudowanie nowego, dużego obiektu neutrinowego, w którym potężna wiązka neutrin będzie wysyłana z Fermilabu w Illinois do detektora znajdującego się głęboko pod ziemią w kopalni Homestake w Południowej Dakocie. Kto wie, co znajdziemy?

I to jest to, na co naprawdę czekałem.

John Beacom, profesor fizyki, profesor astronomii i dyrektor Centrum Kosmologii i Fizyki Astrocząstek (CCAPP), Ohio State University

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w serwisie The Conversation. Przeczytaj oryginalny artykuł.