Το νετρίνο είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο που μοιάζει πολύ με ένα ηλεκτρόνιο, αλλά δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο. Έχει πολύ μικρή μάζα, η οποία μπορεί να είναι και μηδενική. Η ταχύτητα του νετρίνου εξαρτάται επίσης από τη μάζα. Η διαφορά στο χρόνο άφιξης του σωματιδίου και του φωτός είναι 0,0006% (± 0,0012%). Το 2011, κατά τη διάρκεια του πειράματος OPERA, διαπιστώθηκε ότι η ταχύτητα των νετρίνων υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός, αλλά η ανεξάρτητη εμπειρία δεν το επιβεβαίωσε.
The Elusive Particle
Αυτό είναι ένα από τα πιο κοινά σωματίδια στο σύμπαν. Δεδομένου ότι αλληλεπιδρά ελάχιστα με την ύλη, είναι απίστευτα δύσκολο να εντοπιστεί. Τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα δεν συμμετέχουν σε ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις, αλλά εξίσου συμμετέχουν σε αδύναμες. Τα σωματίδια με αυτές τις ιδιότητες ονομάζονται λεπτόνια. Εκτός από το ηλεκτρόνιο (και το αντισωματίδιο του, το ποζιτρόνιο), τα φορτισμένα λεπτόνια περιλαμβάνουν το μιόνιο (200 μάζες ηλεκτρονίων), το ταυ (3500 μάζες ηλεκτρονίων) και τα αντισωματίδια τους. Ονομάζονται έτσι: ηλεκτρόνια-, μιόνια- και ταυ-νετρίνα. Κάθε ένα έχει ένα αντι-υλικό συστατικό που ονομάζεται αντινετρίνο.
Το μιόνιο και το ταυ, όπως ένα ηλεκτρόνιο, έχουν σωματίδια που τα συνοδεύουν. Αυτά είναι τα νετρίνα μιονίων και ταυ. Οι τρεις τύποι σωματιδίων είναι διαφορετικοί μεταξύ τους. Για παράδειγμα, όταν τα νετρίνα μιονίων αλληλεπιδρούν με έναν στόχο, παράγουν πάντα μιόνια, ποτέ ταυ ή ηλεκτρόνια. Στην αλληλεπίδραση των σωματιδίων, αν και τα ηλεκτρόνια και τα ηλεκτρόνια-νετρίνα μπορούν να δημιουργηθούν και να καταστραφούν, το άθροισμά τους παραμένει αμετάβλητο. Αυτό το γεγονός οδηγεί στη διαίρεση των λεπτονίων σε τρεις τύπους, καθένας από τους οποίους έχει ένα φορτισμένο λεπτόνιο και ένα συνοδευτικό νετρίνο.
Απαιτούνται πολύ μεγάλοι και εξαιρετικά ευαίσθητοι ανιχνευτές για την ανίχνευση αυτού του σωματιδίου. Τυπικά, τα νετρίνα χαμηλής ενέργειας θα ταξιδέψουν πολλά έτη φωτός πριν αλληλεπιδράσουν με την ύλη. Κατά συνέπεια, όλα τα επίγεια πειράματα με αυτά βασίζονται στη μέτρηση του μικρού τους κλάσματος που αλληλεπιδρά με καταγραφείς λογικού μεγέθους. Για παράδειγμα, στο Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury, που περιέχει 1000 τόνους βαρύ νερό, περνούν από τον ανιχνευτή περίπου 1012 ηλιακά νετρίνα ανά δευτερόλεπτο. Και βρίσκονται μόνο 30 την ημέρα.
Ιστορικό ανακάλυψης
Ο Wolfgang Pauli υπέθεσε για πρώτη φορά την ύπαρξη ενός σωματιδίου το 1930. Ένα πρόβλημα προέκυψε εκείνη την εποχή επειδή φαινόταν ότι η ενέργεια και η γωνιακή ορμή δεν διατηρήθηκαν στη διάσπαση βήτα. Όμως ο Pauli σημείωσε ότι εάν εκπέμπεται ένα μη αλληλεπιδρών ουδέτερο σωματίδιο νετρίνου, τότε θα τηρηθεί ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας. Ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi ανέπτυξε τη θεωρία της διάσπασης βήτα το 1934 και έδωσε στο σωματίδιο το όνομά του.
Παρά όλες τις προβλέψεις, για 20 χρόνια τα νετρίνα δεν μπορούσαν να ανιχνευθούν πειραματικά λόγω της ασθενούς αλληλεπίδρασής τους με την ύλη. Αφού τα σωματίδια δεν είναι ηλεκτρικάφορτισμένα, δεν επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις και, ως εκ τούτου, δεν προκαλούν ιονισμό της ύλης. Επιπλέον, αντιδρούν με την ύλη μόνο μέσω αδύναμων αλληλεπιδράσεων αμελητέας ισχύος. Επομένως, είναι τα πιο διεισδυτικά υποατομικά σωματίδια, ικανά να περάσουν από έναν τεράστιο αριθμό ατόμων χωρίς να προκαλέσουν καμία αντίδραση. Μόνο 1 στα 10 δισεκατομμύρια από αυτά τα σωματίδια, που διανύουν την ύλη σε απόσταση ίση με τη διάμετρο της Γης, αντιδρούν με ένα πρωτόνιο ή νετρόνιο.
Τέλος, το 1956, μια ομάδα Αμερικανών φυσικών με επικεφαλής τον Frederick Reines ανακοίνωσε την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου-αντινετρίνου. Στα πειράματά της, τα αντινετρίνα που εκπέμπονταν από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα αλληλεπιδρούσαν με πρωτόνια για να σχηματίσουν νετρόνια και ποζιτρόνια. Οι μοναδικές (και σπάνιες) ενεργειακές υπογραφές αυτών των τελευταίων παραπροϊόντων παρέχουν στοιχεία για την ύπαρξη του σωματιδίου.
Η ανακάλυψη φορτισμένων λεπτονίων μιονίων έγινε το σημείο εκκίνησης για την επακόλουθη αναγνώριση του δεύτερου τύπου νετρίνου - μιονίου. Η ταυτοποίησή τους πραγματοποιήθηκε το 1962 με βάση τα αποτελέσματα ενός πειράματος σε έναν επιταχυντή σωματιδίων. Μιονικά νετρίνα υψηλής ενέργειας παρήχθησαν από τη διάσπαση των πι-μεσονίων και στάλθηκαν στον ανιχνευτή με τέτοιο τρόπο ώστε οι αντιδράσεις τους με την ύλη να μπορούν να μελετηθούν. Αν και είναι μη αντιδραστικά, όπως και άλλοι τύποι αυτών των σωματιδίων, έχει βρεθεί ότι στις σπάνιες περιπτώσεις όταν αντιδρούν με πρωτόνια ή νετρόνια, τα μιόνια-νετρίνα σχηματίζουν μιόνια, αλλά ποτέ ηλεκτρόνια. Το 1998, οι Αμερικανοί φυσικοί Leon Lederman, Melvin Schwartz και Jack Steinbergerέλαβε το Νόμπελ Φυσικής για την ταυτοποίηση του μιονίου-νετρίνου.
Στα μέσα της δεκαετίας του 1970, η φυσική των νετρίνων αναπληρώθηκε με έναν άλλο τύπο φορτισμένων λεπτονίων - ταυ. Το ταυ νετρίνο και το αντινετρίνο ταυ αποδείχθηκε ότι σχετίζονται με αυτό το τρίτο φορτισμένο λεπτόνιο. Το 2000, φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών. Ο Enrico Fermi ανέφερε τα πρώτα πειραματικά στοιχεία για την ύπαρξη αυτού του τύπου σωματιδίου.
Μάζα
Όλοι οι τύποι νετρίνων έχουν μάζα πολύ μικρότερη από αυτή των φορτισμένων ομολόγων τους. Για παράδειγμα, τα πειράματα δείχνουν ότι η μάζα ηλεκτρονίου-νετρίνου πρέπει να είναι μικρότερη από το 0,002% της μάζας των ηλεκτρονίων και ότι το άθροισμα των μαζών των τριών ειδών πρέπει να είναι μικρότερο από 0,48 eV. Για πολλά χρόνια φαινόταν ότι η μάζα ενός σωματιδίου ήταν μηδέν, αν και δεν υπήρχαν πειστικές θεωρητικές αποδείξεις γιατί έπρεπε να είναι έτσι. Στη συνέχεια, το 2002, το Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury έδωσε την πρώτη άμεση απόδειξη ότι τα ηλεκτρόνια-νετρίνα που εκπέμπονται από πυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα του Ήλιου αλλάζουν τύπο καθώς ταξιδεύουν μέσα από αυτόν. Τέτοιες «ταλαντώσεις» νετρίνων είναι δυνατές εάν ένας ή περισσότεροι τύποι σωματιδίων έχουν κάποια μικρή μάζα. Οι μελέτες τους για την αλληλεπίδραση των κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα της Γης υποδεικνύουν επίσης την παρουσία μάζας, αλλά απαιτούνται περαιτέρω πειράματα για να προσδιοριστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Πηγές
Φυσικές πηγές νετρίνων είναι η ραδιενεργή διάσπαση στοιχείων στα έγκατα της Γης, στην οποίαεκπέμπεται ένα μεγάλο ρεύμα ηλεκτρονίων-αντινετρίνων χαμηλής ενέργειας. Οι σουπερνόβα είναι επίσης ένα φαινόμενο κυρίως νετρίνων, καθώς μόνο αυτά τα σωματίδια μπορούν να διαπεράσουν το υπερπυκνό υλικό που παράγεται σε ένα αστέρι που καταρρέει. μόνο ένα μικρό μέρος της ενέργειας μετατρέπεται σε φως. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι περίπου το 2% της ενέργειας του Ήλιου είναι η ενέργεια των νετρίνων που παράγεται στις αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης. Είναι πιθανό ότι το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν αποτελείται από νετρίνα που παράγονται κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης.
Προβλήματα φυσικής
Τα πεδία που σχετίζονται με τα νετρίνα και την αστροφυσική είναι ποικίλα και αναπτύσσονται γρήγορα. Οι τρέχουσες ερωτήσεις που προσελκύουν μεγάλο αριθμό πειραματικών και θεωρητικών προσπαθειών είναι οι εξής:
- Ποιες είναι οι μάζες των διαφορετικών νετρίνων;
- Πώς επηρεάζουν την κοσμολογία του Big Bang;
- Ταλαντώνονται;
- Μπορούν τα νετρίνα ενός τύπου να μεταμορφωθούν σε άλλο καθώς ταξιδεύουν μέσα από την ύλη και το διάστημα;
- Διαφέρουν τα νετρίνα θεμελιωδώς από τα αντισωματίδιά τους;
- Πώς τα αστέρια καταρρέουν και σχηματίζουν σουπερνόβα;
- Ποιος είναι ο ρόλος των νετρίνων στην κοσμολογία;
Ένα από τα μακροχρόνια προβλήματα ιδιαίτερου ενδιαφέροντος είναι το λεγόμενο πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων. Αυτό το όνομα αναφέρεται στο γεγονός ότι κατά τη διάρκεια πολλών επίγειων πειραμάτων που διεξήχθησαν τα τελευταία 30 χρόνια, παρατηρήθηκαν σταθερά λιγότερα σωματίδια από όσα χρειαζόταν για την παραγωγή ενέργειας που εκπέμπεται από τον ήλιο. Μία από τις πιθανές λύσεις του είναι η ταλάντωση, δηλαδή ο μετασχηματισμός του ηλεκτρονικούνετρίνα σε μιόνια ή ταυ ενώ ταξιδεύουν στη Γη. Δεδομένου ότι είναι πολύ πιο δύσκολο να μετρηθούν μιόνια χαμηλής ενέργειας ή ταυ νετρίνα, αυτού του είδους ο μετασχηματισμός θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί δεν παρατηρούμε τον σωστό αριθμό σωματιδίων στη Γη.
Τέταρτο Βραβείο Νόμπελ
Το Νόμπελ Φυσικής 2015 απονεμήθηκε στους Takaaki Kajita και Arthur McDonald για την ανακάλυψη της μάζας των νετρίνων. Αυτό ήταν το τέταρτο τέτοιο βραβείο που σχετίζεται με πειραματικές μετρήσεις αυτών των σωματιδίων. Κάποιοι μπορεί να αναρωτιούνται γιατί πρέπει να νοιαζόμαστε τόσο πολύ για κάτι που μόλις και μετά βίας αλληλεπιδρά με τη συνηθισμένη ύλη.
Το ίδιο το γεγονός ότι μπορούμε να ανιχνεύσουμε αυτά τα εφήμερα σωματίδια αποτελεί απόδειξη της ανθρώπινης ευρηματικότητας. Δεδομένου ότι οι κανόνες της κβαντικής μηχανικής είναι πιθανολογικοί, γνωρίζουμε ότι παρόλο που σχεδόν όλα τα νετρίνα περνούν από τη Γη, μερικά από αυτά θα αλληλεπιδράσουν μαζί της. Ένας ανιχνευτής αρκετά μεγάλος για να το ανιχνεύσει.
Η πρώτη τέτοια συσκευή κατασκευάστηκε τη δεκαετία του '60 βαθιά σε ένα ορυχείο στη Νότια Ντακότα. Το ορυχείο γέμισε με 400 χιλιάδες λίτρα υγρού καθαρισμού. Κατά μέσο όρο, ένα σωματίδιο νετρίνου κάθε μέρα αλληλεπιδρά με ένα άτομο χλωρίου, μετατρέποντάς το σε αργό. Απίστευτα, ο Raymond Davis, ο οποίος ήταν υπεύθυνος για τον ανιχνευτή, βρήκε έναν τρόπο να ανιχνεύσει αυτά τα λίγα άτομα αργού και τέσσερις δεκαετίες αργότερα, το 2002, του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ για αυτό το εκπληκτικό τεχνικό επίτευγμα.
Νέα Αστρονομία
Επειδή τα νετρίνα αλληλεπιδρούν τόσο αδύναμα, μπορούν να διανύσουν μεγάλες αποστάσεις. Μας δίνουν την ευκαιρία να κοιτάξουμε σε μέρη που διαφορετικά δεν θα βλέπαμε ποτέ. Τα νετρίνα που ανακαλύφθηκαν από τον Davis παράγονται από πυρηνικές αντιδράσεις που έλαβαν χώρα στο κέντρο του Ήλιου και μπόρεσαν να ξεφύγουν από αυτό το απίστευτα πυκνό και ζεστό μέρος μόνο επειδή δεν αλληλεπιδρούν σχεδόν καθόλου με άλλη ύλη. Είναι ακόμη δυνατό να ανιχνευθεί ένα νετρίνο που πετάει από το κέντρο ενός αστέρα που εκρήγνυται πάνω από εκατό χιλιάδες έτη φωτός από τη Γη.
Επιπλέον, αυτά τα σωματίδια καθιστούν δυνατή την παρατήρηση του σύμπαντος σε πολύ μικρή κλίμακα, πολύ μικρότερη από αυτή που μπορεί να εξετάσει ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στη Γενεύη, ο οποίος ανακάλυψε το μποζόνιο Higgs. Γι' αυτόν τον λόγο η Επιτροπή Νόμπελ αποφάσισε να απονείμει το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη ενός ακόμη τύπου νετρίνου.
Mysterious Missing
Όταν ο Ray Davis παρατήρησε ηλιακά νετρίνα, βρήκε μόνο το ένα τρίτο του αναμενόμενου αριθμού. Οι περισσότεροι φυσικοί πίστευαν ότι ο λόγος για αυτό ήταν η κακή γνώση της αστροφυσικής του Ήλιου: ίσως τα μοντέλα του εσωτερικού του άστρου υπερεκτίμησαν τον αριθμό των νετρίνων που παράγονται σε αυτό. Ωστόσο, με τα χρόνια, ακόμη και όταν βελτιώθηκαν τα ηλιακά μοντέλα, οι ελλείψεις παρέμειναν. Οι φυσικοί επέστησαν την προσοχή σε μια άλλη πιθανότητα: το πρόβλημα θα μπορούσε να σχετίζεται με την κατανόησή μας για αυτά τα σωματίδια. Σύμφωνα με την τότε επικρατούσα θεωρία, δεν είχαν μάζα. Αλλά ορισμένοι φυσικοί υποστήριξαν ότι τα σωματίδια είχαν στην πραγματικότητα ένα απειροελάχιστομάζα, και αυτή η μάζα ήταν η αιτία της έλλειψής τους.
Σωματίδιο με τρεις όψεις
Σύμφωνα με τη θεωρία των ταλαντώσεων νετρίνων, υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι νετρίνων στη φύση. Εάν ένα σωματίδιο έχει μάζα, τότε καθώς κινείται, μπορεί να αλλάξει από τον έναν τύπο στον άλλο. Τρεις τύποι - ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ - όταν αλληλεπιδρούν με την ύλη μπορούν να μετατραπούν στο αντίστοιχο φορτισμένο σωματίδιο (ηλεκτρόνιο, μιόνιο ή ταυλεπτόνιο). Η «ταλάντωση» συμβαίνει λόγω της κβαντικής μηχανικής. Ο τύπος του νετρίνου δεν είναι σταθερός. Αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Ένα νετρίνο, που ξεκίνησε την ύπαρξή του ως ηλεκτρόνιο, μπορεί να μετατραπεί σε μιόνιο και μετά να επιστρέψει. Έτσι, ένα σωματίδιο που σχηματίζεται στον πυρήνα του Ήλιου, στο δρόμο του προς τη Γη, μπορεί περιοδικά να μετατραπεί σε μιόνιο-νετρίνο και αντίστροφα. Δεδομένου ότι ο ανιχνευτής Davis μπορούσε να ανιχνεύσει μόνο νετρίνα ηλεκτρονίων ικανά να οδηγήσουν στην πυρηνική μεταστοιχείωση του χλωρίου σε αργό, φαινόταν πιθανό ότι τα νετρίνα που έλειπαν είχαν μετατραπεί σε άλλους τύπους. (Όπως αποδεικνύεται, τα νετρίνα ταλαντώνονται μέσα στον Ήλιο, όχι στο δρόμο τους προς τη Γη.)
Καναδικό πείραμα
Ο μόνος τρόπος για να το δοκιμάσουμε ήταν να φτιάξουμε έναν ανιχνευτή που να λειτουργεί και για τους τρεις τύπους νετρίνων. Από τη δεκαετία του 1990, ο Arthur McDonald από το Queen's Ontario University ηγήθηκε της ομάδας που το έκανε αυτό σε ένα ορυχείο στο Sudbury του Οντάριο. Η εγκατάσταση περιείχε τόνους βαρέος νερού με δάνειο από την καναδική κυβέρνηση. Το βαρύ νερό είναι μια σπάνια αλλά φυσικά απαντώμενη μορφή νερού στην οποία το υδρογόνο, που περιέχει ένα πρωτόνιο,αντικαθίσταται από το βαρύτερο ισότοπό του δευτέριο, το οποίο περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Η καναδική κυβέρνηση συσσώρευσε βαρύ νερό επειδή χρησιμοποιείται ως ψυκτικό υγρό σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Και οι τρεις τύποι νετρίνων μπορούσαν να καταστρέψουν το δευτέριο για να σχηματίσουν ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο και στη συνέχεια μετρήθηκαν τα νετρόνια. Ο ανιχνευτής κατέγραψε περίπου τριπλάσιο αριθμό σωματιδίων σε σύγκριση με τον Ντέιβις - ακριβώς τον αριθμό που είχε προβλεφθεί από τα καλύτερα μοντέλα του Ήλιου. Αυτό υποδηλώνει ότι το ηλεκτρόνιο-νετρίνο θα μπορούσε να ταλαντωθεί στους άλλους τύπους του.
Ιαπωνικό πείραμα
Περίπου την ίδια περίοδο, ο Takaaki Kajita του Πανεπιστημίου του Τόκιο έκανε ένα άλλο αξιόλογο πείραμα. Ένας ανιχνευτής που εγκαταστάθηκε σε ορυχείο στην Ιαπωνία κατέγραψε νετρίνα που προέρχονται όχι από τα έγκατα του Ήλιου, αλλά από την ανώτερη ατμόσφαιρα. Όταν τα πρωτόνια της κοσμικής ακτίνας συγκρούονται με την ατμόσφαιρα, σχηματίζονται βροχές άλλων σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των μιονικών νετρίνων. Στο ορυχείο, μετέτρεψαν τους πυρήνες του υδρογόνου σε μιόνια. Ο ανιχνευτής Kajita μπορούσε να δει σωματίδια που έρχονται προς δύο κατευθύνσεις. Κάποιοι έπεσαν από ψηλά, προερχόμενοι από την ατμόσφαιρα, ενώ άλλοι κινήθηκαν από κάτω. Ο αριθμός των σωματιδίων ήταν διαφορετικός, γεγονός που έδειχνε τη διαφορετική φύση τους - βρίσκονταν σε διαφορετικά σημεία των κύκλων ταλάντωσής τους.
Επανάσταση στην επιστήμη
Είναι όλα εξωτικά και εκπληκτικά, αλλά γιατί οι ταλαντώσεις και οι μάζες νετρίνων τραβούν τόση προσοχή; Ο λόγος είναι απλός. Στο τυπικό μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής που αναπτύχθηκε τα τελευταία πενήντα χρόνια του εικοστού αιώνα,που περιέγραψε σωστά όλες τις άλλες παρατηρήσεις σε επιταχυντές και άλλα πειράματα, τα νετρίνα θα έπρεπε να ήταν χωρίς μάζα. Η ανακάλυψη της μάζας των νετρίνων υποδηλώνει ότι κάτι λείπει. Το τυπικό μοντέλο δεν είναι πλήρες. Τα στοιχεία που λείπουν δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί, είτε μέσω του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων είτε μέσω άλλης μηχανής που δεν έχει δημιουργηθεί ακόμη.
