Zmiana zapachu neutrin

Wkład różnych stanów masy zmienia się w trakcie ruchu neutrina.

Po raz czwarty w ciągu ostatnich 30 lat Nagrodę Nobla z fizyki przyznano za odkrycie dotyczące neutrin: Takaaki Kajita oraz Arthur McDonald zostali dzisiaj wyróżnieni za odkrycie oscylacji tych cząstek, dzięki którym udało się udowodnić, że mają one masę.

Takaaki Kajita oraz Arthur B. McDonald
Takaaki Kajita oraz Arthur B. McDonald

Neutrina to neutralne cząstki elementarne, których istnienie po raz pierwszy zapostulował Pauli w 1930 roku. Za ich pomocą wyjaśnił, w jaki sposób w czasie rozpadu beta zachowane są energia, moment oraz spin. Na eksperymentalne potwierdzenie istnienia neutrina czekały jednak ponad 20 lat: wyniki doświadczeń zostały opublikowane w 1956 roku w piśmie Science – pierwszy autor tej pracy, Frederick Reines, został za to odkrycie nagrodzony Nagrodą Nobla z fizyki równo 20 lat temu.

W kolejnej dekadzie Leon Lederman wraz z kolegami pokazał, że istnieje kilka rodzajów neutrin – za to odkrycie także został nagrodzony Noblem. Chociaż więc od blisko pół wieku wiadomo było, że istnieją trzy typy tej cząstki – nazywane zapachami (elektronowe, mionowe i taonowe) – to inne jej właściwości pozostawały tajemnicą. Co jest swego rodzaju ironią losu, biorąc pod uwagę, że jest to prawdopodobnie najpowszechniejsza z cząstek elementarnych.

W latach sześćdziesiątych XX wieku przeprowadzono serię eksperymentów mierzących strumień neutrin płynących do Ziemi ze Słońca, które produkuje jedynie neutrina elektronowe. Okazało się, że jest ich trzy razy mniej niż przewidywano na podstawie wyliczeń z modelu standardowego. Problem ten nazwano problemem neutrin słonecznych.

Okazuje się bowiem, że model standardowy ma pewne problemy z wyjaśnieniem fenomenu masy neutrin (o których długo sądzono, że takowej nie posiadają). Przyznane wczoraj wyróżnienie doceniło dwóch badaczy, którzy przyczynili się do rozwikłania tej zagadki.

Jednym z zaproponowanych teoretycznie wyjaśnień problemu neutrin słonecznych była hipoteza głosząca, że w drodze do Ziemi produkowane przez Słońce pary elektron-neutrino ulegają przemianie w pary muon-neutrino lub tau-neutrino. Ponieważ aparatura mierzy ilość eletron-neutrin, transformacja tego zapachu neutrina w inny wyjaśniałaby, gdzie podziało się dwie trzecie zaginionych par.

Aby jednak potwierdzić tę hipotezę potrzebne były ogromne zasoby doświadczalne. We wczesnych latach dziewięćdziesiątych mamonę wyłożyło japońskie Ministerstwo Edukacji, Nauki, Sportu i Kultury, finansując budowę detektora Super-Kamiokande – obserwatorium neutrin położonego w trzewiach góry Kamioka w prefekturze Gifu w Japonii. Pierwotnym celem tego obserwatorium była obserwacja rozpadu protonów, którego jednak nie udało się do tej pory zaobserwować.

Jednak w 1998 roku grupa Kajity pracująca przy detektorze Super-Kamiokande (następcy Kamiokande) pokazała po raz pierwszy doświadczalne dowody sugerujące istnienie oscylacji neutrin – transformacji pomiędzy parami neutrino-cząstka towarzysząca o różnych zapachach. 500 tysięcy ton wody oraz 535 dni ciągłego gromadzenia danych było potrzebne, aby pokazać, że neutrina mionowe powstające na skutek kolizji promieniowania kosmicznego z ziemską atmosferą znikają, zanim uda im się dotrzeć do detektora Super-K.

Był to zatem pierwszy krok do pokazania, że transformacja pomiędzy różnymi zapachami neutrin jest możliwa. Gwóźdź do trumny przybiła jednak grupa Andrew McDonalda. Badacze korzystali z Obserwatorium Neutrin Sudbury w Kanadzie. Obserwatorium to, znajdujące się ponad 2 tysiące metrów pod ziemią, potrafi wykrywać wszystkie zapachy neutrin i odróżniać neutrina elektronowe od pozostałych dwóch zapachów (chociaż nie neutrina mionowe or taonowych). W 2001 roku naukowcy zaprezentowali wyniki pomiarów z tego obserwatorium pokazujące, że zaledwie 35% neutrin docierających do nas ze Słońca to neutrina elektronowe, reszta zaś to neutrina taonowe i mionowe.

Odkrycie oscylacji neutrin pozwoliło na dalszy rozwój teorii w tym zakresie. Dzisiaj wiemy, że neutrina rzeczywiście nie posiadają masy per se. Zamiast tego każde neutrino jest mieszaniną (kwantową superpozycją) trzech ‘stanów masy’ – te stany wymieszane są w różnych proporcjach w trzech zapachach neutrin. W czasie ruchu neutrina różne stany wpływają na jego masę w różnych stopniu – znajduje to odzwierciedlenie w dynamicznej zmianie zapachu neutrina.

Wkład różnych stanów masy zmienia się w trakcie ruchu neutrina.
Wkład różnych stanów masy zmienia się w trakcie ruchu neutrina.

Niemniej jednak w fizyce neutrin wciąż pozostaje więcej pytań, niż mamy odpowiedzi. Kolejne ogromne eksperymenty (JUNO, INO, DUNE oraz Hyper-Kamiokande) mają nadzieję na znalezienie tych odpowiedzi. Póki co jednak tajemnicą pozostaje to, czy istnieje czwarty zapach neutrin – tzw. sterylne neutrino? Albo dlaczego we Wszechświecie istnieje tak mało antymaterii? Albo czym jest hierarchia masy?

I można pewnie oczekiwać, że niejedna Nagroda Nobla w najbliższych dekadach powędruje do kolejnych badaczy starających się odkryć kolejne sekrety neutrin.

1 Comment

  1. Skoro raczej-fundamentalne zasady są łamane, to co sugerował Pauli? (na co nie wpadłby gmnazjalista)
    Że proton jednak się rozpada… coś, gdzieś, tylko hipoteza czy wynik?

    Lubię

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s