Jesteśmy zalani neutrinami. Są jednymi z najlżejszych z około dwudziestu znanych cząstek subatomowych i pochodzą ze wszystkich stron: z Wielkiego Wybuchu, który rozpoczął wszechświat, od eksplodujących gwiazd, a przede wszystkim od Słońca. Przychodzą prosto przez Ziemię niemal z prędkością światła, przez cały czas, dzień i noc, w ogromnej liczbie. Około 100 bilionów neutrin przechodzi przez nasze ciała na sekundę.
powiązana zawartość
- Otwieranie dziwnych portali w fizyce
Problemem dla fizyków jest to, że neutrina są niemożliwe do zobaczenia i trudne do wykrycia. Każdy instrument zaprojektowany w tym celu może wydawać się stały w dotyku, ale dla neutrin nawet stal nierdzewna jest w większości pustą przestrzenią, tak szeroko otwartą jak układ słoneczny dla komety. Co więcej, neutrina, w przeciwieństwie do większości cząstek subatomowych, nie mają ładunku elektrycznego - są neutralne, stąd nazwa - więc naukowcy nie mogą użyć sił elektrycznych ani magnetycznych do ich wychwycenia. Fizycy nazywają je „cząsteczkami duchów”.
Aby uchwycić te nieuchwytne istoty, fizycy przeprowadzili niezwykle ambitne eksperymenty. Aby neutrina nie były mylone z promieniami kosmicznymi (cząstkami subatomowymi z kosmosu, które nie penetrują ziemi), detektory są instalowane głęboko pod ziemią. Ogromne zostały umieszczone w kopalniach złota i niklu, w tunelach pod górami, w oceanie i na lodzie antarktycznym. Te dziwnie piękne urządzenia są pomnikiem determinacji ludzkości do poznania wszechświata.
Nie jest jasne, jakie praktyczne zastosowania przyniesie badanie neutrin. „Nie wiemy, dokąd to zaprowadzi” - mówi Boris Kayser, fizyk teoretyczny w Fermilab w Batavii w stanie Illinois.
Fizycy częściowo badają neutrina, ponieważ neutrina są tak dziwnymi postaciami: wydają się łamać reguły opisujące naturę w jej najbardziej podstawowym znaczeniu. A jeśli fizycy kiedykolwiek spełnią swoje nadzieje na wypracowanie spójnej teorii rzeczywistości, która wyjaśnia bez wyjątku podstawy przyrody, będą musieli wziąć pod uwagę zachowanie neutrin.
Ponadto neutrina intrygują naukowców, ponieważ cząsteczki są posłańcami z zewnętrznych krańców wszechświata, stworzonymi przez gwałtownie wybuchające galaktyki i inne tajemnicze zjawiska. „Neutrina mogą być w stanie powiedzieć nam rzeczy, których nie są w stanie zrobić większe cząstki humdrum”, mówi Kayser.
Fizycy wyobrażali sobie neutrina na długo przed ich znalezieniem. W 1930 r. Opracowali koncepcję równoważenia równania, które się nie sumuje. Kiedy jądro atomu radioaktywnego rozpada się, energia emitowanych przez niego cząstek musi być równa energii, którą pierwotnie zawierał. Ale w rzeczywistości, naukowcy zauważyli, że jądro traci więcej energii niż detektory. Aby więc uwzględnić tę dodatkową energię, fizyk Wolfgang Pauli wymyślił dodatkową, niewidzialną cząsteczkę emitowaną przez jądro. „Zrobiłem dziś coś bardzo złego, proponując cząsteczkę, której nie można wykryć”, napisał Pauli w swoim dzienniku. „Jest to coś, czego żaden teoretyk nigdy nie powinien zrobić”.
Eksperymentaliści i tak zaczęli go szukać. W laboratorium broni jądrowej w Południowej Karolinie w połowie lat 50. XX wieku ustawili dwa duże zbiorniki na wodę przed reaktorem jądrowym, który zgodnie z ich równaniami powinien wytwarzać dziesięć bilionów neutrin na sekundę. Według dzisiejszych standardów wykrywacz był niewielki, ale wciąż potrafił wykryć neutrina - trzy godziny. Naukowcy ustalili, że proponowane neutrino jest faktycznie prawdziwe; badanie nieuchwytnej cząstki przyspieszonej.
Dziesięć lat później pole wzrosło, gdy inna grupa fizyków zainstalowała detektor w kopalni złota Homestake w Lead w Południowej Dakocie, 4850 stóp pod ziemią. W tym eksperymencie naukowcy postanowili obserwować neutrina, monitorując, co dzieje się w rzadkich przypadkach, gdy neutrino zderza się z atomem chloru i tworzy radioaktywny argon, który jest łatwo wykrywalny. Podstawą eksperymentu był zbiornik wypełniony 600 tonami bogatej w chlor cieczy, perchloroetylenu, płynu stosowanego w czyszczeniu na sucho. Co kilka miesięcy naukowcy spłukiwali zbiornik i wydobywali około 15 atomów argonu, co świadczy o 15 neutrinach. Monitorowanie trwało ponad 30 lat.
W nadziei na wykrycie większej liczby neutrin naukowcy z Japonii przeprowadzili eksperyment 3300 stóp pod ziemią w kopalni cynku. Super-Kamiokande, lub Super-K, jak wiadomo, zaczął działać w 1996 roku. Detektor składa się z 50 000 ton wody w kopulastym zbiorniku, którego ściany pokryte są 13 000 czujnikami światła. Czujniki wykrywają od czasu do czasu niebieski błysk (zbyt słaby, aby nasze oczy go dostrzegały), gdy neutrino zderza się z atomem w wodzie i wytwarza elektron. Śledząc dokładną ścieżkę elektronu poruszającą się w wodzie, fizycy mogli wywnioskować źródło w przestrzeni zderzającego się neutrina. Okazało się, że większość pochodzi od słońca. Pomiary były wystarczająco czułe, aby Super-K mógł śledzić ścieżkę słońca na niebie i, z odległości prawie mili pod powierzchnią ziemi, obserwować, jak dzień zmienia się w noc. „To naprawdę ekscytująca rzecz” - mówi Janet Conrad, fizyk z Massachusetts Institute of Technology. Ślady cząstek można skompilować, aby stworzyć „piękny obraz, obraz słońca w neutrinach”.
Ale eksperymenty Homestake i Super-K nie wykryły tylu neutrin, ile spodziewali się fizycy. Badania w Sudbury Neutrino Observatory (SNO, wymawiane jako „śnieg”) pozwoliły ustalić, dlaczego. Zainstalowany w kopalni niklu o głębokości 6800 stóp w Ontario, SNO zawiera 1100 ton „ciężkiej wody”, która ma niezwykłą formę wodoru, która stosunkowo łatwo reaguje z neutrinami. Płyn znajduje się w zbiorniku zawieszonym w wielkiej akrylowej kuli, która sama jest utrzymywana wewnątrz geodezyjnej nadbudówki, która pochłania wibracje i na której zawieszono 9456 czujników światła - całość wygląda jak ozdobna choinka o wysokości 30 stóp.
Naukowcy pracujący w SNO odkryli w 2001 r., Że neutrino może spontanicznie przełączać się między trzema różnymi tożsamościami - lub, jak mówią fizycy, oscyluje między trzema smakami. Odkrycie miało zaskakujące implikacje. Po pierwsze, pokazało, że poprzednie eksperymenty wykryły znacznie mniej neutrin niż przewidywano, ponieważ instrumenty były dostrojone do jednego smaku neutrin - takiego, który tworzy elektron - i brakowało tych, które się przełączały. Po drugie, odkrycie obaliło przekonanie fizyków, że neutrino, podobnie jak foton, nie ma masy. (Oscylacja między smakami jest czymś, co mogą zrobić tylko cząstki o masie.)
Ile masy mają neutrina? Aby się dowiedzieć, fizycy budują KATRIN - eksperyment z trytowym neutrimem w Karlsruhe. Biznesowy koniec KATRIN może pochwalić się 200-tonowym urządzeniem zwanym spektrometrem, który mierzy masę atomów przed i po rozpadzie radioaktywnym - ujawniając w ten sposób masę, jaką neutrino przenosi. Technicy zbudowali spektrometr około 250 mil od Karlsruhe w Niemczech, gdzie eksperyment będzie prowadzony; urządzenie było zbyt duże dla wąskich dróg regionu, więc zostało umieszczone na łodzi na Dunaju i płynęło obok Wiednia, Budapesztu i Belgradu, do Morza Czarnego, przez Morze Egejskie i Morze Śródziemne, wokół Hiszpanii, przez Kanał La Manche, do Rotterdamu i nad Ren, a następnie na południe do portu rzecznego Leopoldshafen w Niemczech. Tam został wyładowany na ciężarówkę i piszczał przez miasto do miejsca docelowego, dwa miesiące i 5600 mil później. Rozpoczęcie gromadzenia danych zaplanowano na 2012 r.
Fizycy i astronomowie zainteresowani informacjami, które neutrina z kosmosu mogą przenosić o supernowych lub zderzających się galaktykach, utworzyli „teleskopy” neutrin. Jeden z nich, zwany IceCube, znajduje się na polu lodowym na Antarktydzie. Po zakończeniu w 2011 r. Będzie się składać z ponad 5000 czujników niebieskiego światła (patrz schemat powyżej). Czujniki są skierowane nie na niebo, jak można się spodziewać, ale na ziemię, aby wykryć neutrina ze słońca i kosmosu, które przechodzą przez planetę z północy. Ziemia blokuje promienie kosmiczne, ale większość neutrin przecina planetę o szerokości 8000 mil, jakby jej tam nie było.
Eksperyment z neutrinami na duże odległości odbywa się w kilku stanach Środkowego Zachodu. Akcelerator o wysokiej energii, który wytwarza cząsteczki subatomowe, wystrzeliwuje wiązki neutrin i powiązanych cząstek na głębokość nawet sześciu mil, pod północnym Illinois, przez Wisconsin i Minnesotę. Cząstki zaczynają się w Fermilabie, jako część eksperymentu o nazwie Wyszukiwanie oscylacji neutralnych wtryskiwaczy głównych (MINOS). W mniej niż trzy tysięczne sekundy trafili w detektor w kopalni żelaza Soudan, oddalonej o 450 mil. Zebrane przez naukowców dane komplikują ich obraz tego nieskończenie małego świata: obecnie wydaje się, że egzotyczne formy neutrin, tak zwane antyneutrina, mogą nie podlegać tym samym zasadom oscylacji, co inne neutrina.
„Co jest fajne” - mówi Conrad - „nie tego się spodziewaliśmy”.
Jeśli chodzi o neutrina, niewiele jest.
Najnowsza książka Ann Finkbeiner, „ Grand and Bold Thing”, dotyczy Sloan Digital Sky Survey, próby zmapowania wszechświata.
Większość neutrin, które bombardują nas, pochodzi od Słońca, pokazanego tutaj na zdjęciu w ultrafiolecie. (NASA) 
Ogromny wykrywacz Super-Kamiokande w Japonii jest wyłożony 13 000 czujników do wykrywania oznak neutrin. Pracownicy na łodzi monitorują urządzenie napełnione wodą. (Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo) 
W serii reakcji w jądrze Słońca atomy wodoru wytwarzają hel poprzez fuzję. Proces uwalnia energię i cząsteczki subatomowe, w tym neutrina. Kiedy foton lub cząstka światła opuszcza gęsty rdzeń Słońca, zostaje uwięziony w upale i furii i może nie dotrzeć do nas przez miliony lat. Ale neutrino słoneczne nie jest zagrożone i dociera do ziemi w ciągu ośmiu minut. (Samuel Velasco / 5W infografiki) 
Kanadyjskie obserwatorium Sudbury Neutrino potwierdziło, że neutrino może zmienić swoją tożsamość. (SNO) 
Fizycy z Brookhaven National Laboratory w Nowym Jorku, pokazani tutaj w laboratoryjnym detektorze STAR, mają nadzieję zestrzelić wiązkę neutrin pod ziemią do kopalni Homestake w Południowej Dakocie. (BNL) 
Detektor neutrin MINOS w Minnesocie jest celem wiązek neutrin wystrzeliwanych z Illinois. (Fermilab Visual Media Services) 
Spektrometr KATRIN, który będzie mierzył masę neutrina, przeciskał się przez Leopoldshafen w Niemczech w drodze do laboratorium. (Karlsruhe Institute of Technology) 
Detektor neutrino IceCube na Antarktydzie jest osadzony w lodzie. Dzięki 5000 czujnikom podłączonym do ponad 70 linii IceCube będzie szukać neutrin, które przeszły 8 000 mil przez planetę. (Uniwersytet Wisconsin-Madison) 
Sznur czujników schodzi do głębokości 8000 stóp. (Jim Haugen / National Science Foundation)
