Nevtrino je elementarni delec, ki je zelo podoben elektronu, vendar nima električnega naboja. Ima zelo majhno maso, ki je lahko celo nič. Hitrost nevtrina je odvisna tudi od mase. Razlika v času prihoda delca in svetlobe je 0,0006 % (± 0,0012 %). Leta 2011 je bilo med eksperimentom OPERA ugotovljeno, da hitrost nevtrinov presega hitrost svetlobe, vendar neodvisne izkušnje tega niso potrdile.
Neulovljivi delec
To je eden najpogostejših delcev v vesolju. Ker zelo malo komunicira s snovjo, ga je neverjetno težko zaznati. Elektroni in nevtrini ne sodelujejo pri močnih jedrskih interakcijah, enako pa sodelujejo pri šibkih. Delci s temi lastnostmi se imenujejo leptoni. Poleg elektrona (in njegovega antidelca, pozitrona), nabiti leptoni vključujejo mion (200 mas elektronov), tau (3500 elektronskih mas) in njihove antidelce. Imenujejo se tako: elektronski, mionski in tau-nevtrini. Vsaka ima protimaterialno komponento, imenovano antinevtrino.
Muon in tau, kot elektron, spremljata delce. To so mionski in tau nevtrini. Tri vrste delcev se med seboj razlikujejo. Na primer, ko mionski nevtrini komunicirajo s tarčo, vedno proizvajajo mione, nikoli tau ali elektrone. Čeprav se pri medsebojnem delovanju delcev lahko ustvarijo in uničijo elektroni in elektroni-nevtrini, njihova vsota ostane nespremenjena. To dejstvo vodi do delitve leptonov na tri vrste, od katerih ima vsaka nabit lepton in spremljajoči nevtrino.
Za zaznavanje tega delca so potrebni zelo veliki in izjemno občutljivi detektorji. Običajno bodo nizkoenergijski nevtrini potovali veliko svetlobnih let, preden bodo v interakciji s snovjo. Posledično se vsi zemeljski poskusi z njimi zanašajo na merjenje njihovega majhnega deleža v interakciji s snemalniki razumne velikosti. Na primer, v nevtrinskem observatoriju Sudbury, ki vsebuje 1000 ton težke vode, skozi detektor preide približno 1012 sončnih nevtrinov na sekundo. In najdemo jih le 30 na dan.
zgodovina odkritij
Wolfgang Pauli je prvič predpostavil obstoj delca leta 1930. Takrat se je pojavila težava, ker se je zdelo, da energija in kotni moment nista ohranjena pri beta razpadu. Toda Pauli je opozoril, da če se odda nevtralni nevtrinski delec, ki ne deluje, bo upoštevan zakon o ohranjanju energije. Italijanski fizik Enrico Fermi je leta 1934 razvil teorijo beta razpada in delcu dal ime.
Kljub vsem napovedim 20 let nevtrinov ni bilo mogoče eksperimentalno odkriti zaradi šibke interakcije s snovjo. Ker delci niso električninaelektrene, nanje ne vplivajo elektromagnetne sile in zato ne povzročajo ionizacije snovi. Poleg tega s snovjo reagirajo le s šibkimi interakcijami zanemarljive moči. Zato so najbolj prodorni subatomski delci, ki lahko preidejo skozi ogromno število atomov, ne da bi pri tem povzročili reakcijo. Le 1 od 10 milijard teh delcev, ki potujejo skozi snov na razdalji, ki je enaka premeru Zemlje, reagira s protonom ali nevtronom.
Nazadnje je leta 1956 skupina ameriških fizikov pod vodstvom Fredericka Reinesa objavila odkritje elektron-antinevtrina. V njenih poskusih so antinevtrini, ki jih je oddajal jedrski reaktor, v interakciji s protoni, da so tvorili nevtrone in pozitrone. Edinstveni (in redki) energijski podpisi teh najnovejših stranskih produktov dokazujejo obstoj delca.
Odkritje nabitih mionskih leptonov je postalo izhodišče za kasnejšo identifikacijo druge vrste nevtrina - mionov. Njihovo identifikacijo so izvedli leta 1962 na podlagi rezultatov poskusa v pospeševalniku delcev. Visokoenergetski mionski nevtrini so nastali z razpadom pi-mezonov in poslani v detektor na tak način, da je bilo mogoče preučevati njihove reakcije s snovjo. Čeprav niso reaktivni, tako kot druge vrste teh delcev, je bilo ugotovljeno, da v redkih primerih, ko reagirajo s protoni ali nevtroni, mionski nevtrini tvorijo mione, nikoli pa elektronov. Leta 1998 so ameriški fiziki Leon Lederman, Melvin Schwartz in Jack Steinbergerprejel Nobelovo nagrado za fiziko za identifikacijo mionskega nevtrina.
Sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja je bila fizika nevtrinov dopolnjena z drugo vrsto nabitih leptonov - tau. Izkazalo se je, da sta tau nevtrino in tau antinevtrino povezana s tem tretjim nabitim leptonom. Leta 2000 so fiziki v National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi je poročal o prvih eksperimentalnih dokazih za obstoj te vrste delcev.
masa
Vse vrste nevtrinov imajo veliko manjšo maso od mase njihovih nabitih sorodnikov. Na primer, poskusi kažejo, da mora biti masa elektron-nevtrina manjša od 0,002 % mase elektronov in da mora biti vsota mas treh vrst manjša od 0,48 eV. Dolga leta se je zdelo, da je masa delca enaka nič, čeprav ni bilo prepričljivih teoretičnih dokazov, zakaj bi bilo tako. Nato je leta 2002 Nevtrinski observatorij Sudbury zagotovil prve neposredne dokaze, da se elektronski nevtrini, ki jih oddajajo jedrske reakcije v Sončevem jedru, spreminjajo tipa, ko potujejo skozi njega. Takšna "nihanja" nevtrinov so možna, če ima ena ali več vrst delcev neko majhno maso. Njihove študije interakcije kozmičnih žarkov v zemeljskem ozračju prav tako kažejo na prisotnost mase, vendar so potrebni nadaljnji poskusi, da bi jo natančneje določili.
Viri
Naravni viri nevtrinov so radioaktivni razpad elementov v črevesju Zemlje, pri kateremoddaja se velik tok nizkoenergijskih elektronov-antinevtrinov. Supernove so tudi pretežno nevtrinski pojav, saj lahko le ti delci prodrejo v supergost material, ki nastane v kolapsirajoči zvezdi; le majhen del energije se pretvori v svetlobo. Izračuni kažejo, da je približno 2 % sončne energije energija nevtrinov, ki nastanejo v reakcijah termonuklearne fuzije. Verjetno je, da večino temne snovi v vesolju sestavljajo nevtrini, ki nastanejo med Velikim pokom.
Problemi fizike
Področja, povezana z nevtrini in astrofiziko, so raznolika in se hitro razvijajo. Trenutna vprašanja, ki pritegnejo veliko eksperimentalnih in teoretičnih prizadevanj, so naslednja:
- Kakšne so mase različnih nevtrinov?
- Kako vplivajo na kozmologijo velikega poka?
- Ali nihajo?
- Ali se lahko nevtrini ene vrste med potovanjem skozi snov in prostor spremenijo v drugo?
- Ali so nevtrini bistveno drugačni od njihovih antidelcev?
- Kako se zvezde zrušijo in tvorijo supernove?
- Kakšna je vloga nevtrinov v kozmologiji?
Eden od dolgoletnih problemov, ki so še posebej zanimivi, je tako imenovani problem sončnih nevtrinov. To ime se nanaša na dejstvo, da je bilo med več zemeljskimi poskusi, izvedenimi v zadnjih 30 letih, dosledno opazovanih manj delcev, kot je bilo potrebno za proizvodnjo energije, ki jo oddaja sonce. Ena od njegovih možnih rešitev je nihanje, torej transformacija elektronikenevtrinov v mione ali tau med potovanjem na Zemljo. Ker je veliko težje izmeriti nizkoenergijske muonske ali tau nevtrine, bi lahko tovrstna transformacija pojasnila, zakaj ne opazimo pravilnega števila delcev na Zemlji.
Četrta Nobelova nagrada
Nobelovo nagrado za fiziko 2015 sta prejela Takaaki Kajita in Arthur McDonald za njuno odkritje mase nevtrinov. To je bila že četrta tovrstna nagrada, povezana z eksperimentalnimi meritvami teh delcev. Nekateri bi se morda spraševali, zakaj bi nam bilo toliko mar za nekaj, kar komajda sodeluje z navadno snovjo.
Samo dejstvo, da lahko zaznamo te efemerne delce, je dokaz človeške iznajdljivosti. Ker so pravila kvantne mehanike verjetnostna, vemo, da čeprav skoraj vsi nevtrini prehajajo skozi Zemljo, bodo nekateri med njimi delovali z njo. Dovolj velik detektor, da to zazna.
Prva taka naprava je bila zgrajena v šestdesetih letih globoko v rudniku v Južni Dakoti. Rudnik je bil napolnjen s 400 tisoč litri čistilne tekočine. V povprečju en delec nevtrina vsak dan komunicira z atomom klora in ga spremeni v argon. Neverjetno je, da je Raymond Davis, ki je bil odgovoren za detektor, izumil način za odkrivanje teh nekaj atomov argona in štiri desetletja pozneje, leta 2002, je prejel Nobelovo nagrado za ta neverjeten tehnični podvig.
Nova astronomija
Ker nevtrini medsebojno delujejo tako šibko, lahko potujejo na velike razdalje. Dajo nam priložnost, da pogledamo v kraje, ki jih sicer nikoli ne bi videli. Nevtrini, ki jih je odkril Davis, so nastali zaradi jedrskih reakcij, ki so se zgodile v samem središču Sonca, in so lahko pobegnili iz tega neverjetno gostega in vročega mesta le zato, ker skoraj ne sodelujejo z drugo snovjo. Možno je celo zaznati nevtrino, ki leti iz središča eksplodirajoče zvezde več kot sto tisoč svetlobnih let od Zemlje.
Poleg tega ti delci omogočajo opazovanje vesolja v zelo majhnem merilu, veliko manjšem od tistega, kar lahko preuči Veliki hadronski trkalnik v Ženevi, ki je odkril Higgsov bozon. Zaradi tega se je Nobelov odbor odločil, da podeli Nobelovo nagrado za odkritje še enega tipa nevtrina.
Skrivnostno pogrešana
Ko je Ray Davis opazoval sončne nevtrine, je našel le tretjino pričakovanega števila. Večina fizikov je menila, da je razlog za to slabo poznavanje astrofizike Sonca: morda so modeli notranjosti zvezde precenili število nevtrinov, proizvedenih v njej. Toda z leti, tudi ko so se solarni modeli izboljševali, se je pomanjkanje nadaljevalo. Fiziki so opozorili na drugo možnost: problem bi lahko bil povezan z našim razumevanjem teh delcev. Po takrat prevladujoči teoriji niso imeli mase. Toda nekateri fiziki so trdili, da imajo delci dejansko neskončno malomaša, in ta masa je bila razlog za njihovo pomanjkanje.
Tri obrazni delec
Po teoriji nevtrinskih nihanj obstajajo v naravi tri različne vrste nevtrinov. Če ima delec maso, se lahko med premikanjem spremeni iz ene vrste v drugo. Tri vrste - elektron, mion in tau - se pri interakciji s snovjo lahko pretvorijo v ustrezen nabit delec (elektron, mion ali tau lepton). "Nihanje" nastane zaradi kvantne mehanike. Vrsta nevtrina ni konstantna. Sčasoma se spreminja. Nevtrino, ki je začel svoj obstoj kot elektron, se lahko spremeni v mion in nato nazaj. Tako se lahko delec, ki nastane v jedru Sonca, na poti do Zemlje občasno spremeni v mionski nevtrino in obratno. Ker je Davisov detektor lahko zaznal samo elektronske nevtrine, ki bi lahko privedli do jedrske transmutacije klora v argon, se je zdelo možno, da so se manjkajoči nevtrini spremenili v druge vrste. (Kot se je izkazalo, nevtrini nihajo znotraj Sonca, ne na poti proti Zemlji.)
kanadski poskus
Edini način za testiranje je bila izdelava detektorja, ki je deloval za vse tri vrste nevtrinov. Od devetdesetih let prejšnjega stoletja je Arthur McDonald z univerze Queen's Ontario vodil ekipo, ki je to storila v rudniku v Sudburyju v Ontariu. Objekt je vseboval tone težke vode, posojene od kanadske vlade. Težka voda je redka, a naravno prisotna oblika vode, v kateri vodik, ki vsebuje en proton,nadomesti s svojim težjim izotopom devterijem, ki vsebuje proton in nevtron. Kanadska vlada je založila težko vodo, ker se uporablja kot hladilno sredstvo v jedrskih reaktorjih. Vse tri vrste nevtrinov bi lahko uničile devterij, da bi tvorile proton in nevtron, nevtrone pa so nato prešteli. Detektor je zabeležil približno trikrat večje število delcev v primerjavi z Davisom – točno toliko, kot so predvidevali najboljši modeli Sonca. To je nakazovalo, da bi lahko elektron-nevtrino nihal v svoje druge vrste.
japonski poskus
Približno v istem času je Takaaki Kajita z univerze v Tokiu izvajal še en izjemen eksperiment. Detektor, nameščen v rudniku na Japonskem, je registriral nevtrine, ki ne prihajajo iz črevesja Sonca, temveč iz zgornje atmosfere. Ko protoni kozmičnih žarkov trčijo v atmosfero, nastanejo plohe drugih delcev, vključno z mionskimi nevtrini. V rudniku so jedra vodika spremenili v mione. Detektor Kajita je lahko videl delce, ki prihajajo v dveh smereh. Nekateri so padli od zgoraj, prihajajo iz ozračja, drugi pa so se premaknili od spodaj. Število delcev je bilo različno, kar je kazalo na njihovo drugačno naravo – bili so na različnih točkah svojih nihalnih ciklov.
revolucija v znanosti
Vse je eksotično in neverjetno, toda zakaj nihanja in mase nevtrinov pritegnejo toliko pozornosti? Razlog je preprost. V standardnem modelu fizike delcev, razvitem v zadnjih petdesetih letih dvajsetega stoletja,ki je pravilno opisal vsa druga opazovanja v pospeševalnikih in drugih poskusih, bi morali biti nevtrini brez mase. Odkritje mase nevtrina nakazuje, da nekaj manjka. Standardni model ni popoln. Manjkajoče elemente je treba še odkriti, bodisi z velikim hadronskim trkalnikom ali drugim strojem, ki še ni ustvarjen.
