Neutrina są prawdopodobnie najbardziej niedocenianymi cząsteczkami znanymi ludzkości. Fizyk, sprytny facet i sprytny Wolfgang Pauli po raz pierwszy zaproponowali ich istnienie w 1930 roku jako brakujący element układanki - niektóre reakcje nuklearne miały więcej do czynienia niż zejścia. Pauli uznał, że w grę musi wchodzić coś małego i niewidzialnego - stąd neutrino, które jest rodzajem włoskim dla „małego neutralnego”.
W ciągu dziesięcioleci od tej pierwszej propozycji poznaliśmy i pokochaliśmy - ale nie do końca rozumiemy - tych małych neutralnych facetów. Mają trochę masy, ale nie jesteśmy pewni, ile. I mogą zmieniać się z jednego rodzaju neutrino (zwanego „smakiem”, ponieważ dlaczego nie?) W inny, ale nie jesteśmy pewni jak.
Ilekroć fizycy czegoś nie rozumieją, są naprawdę podekscytowani, ponieważ z definicji odpowiedź na zagadkę musi leżeć poza znaną fizyką. Tajemnica masy neutrin i mieszania może dać nam wskazówki do takich tajemnic, jak najwcześniejsze momenty Wielkiego Wybuchu.
Jeden mały problem: małość. Neutrina są małe i prawie nigdy nie rozmawiają z normalną materią. Tryliony na tryliony przechodzą teraz przez wasze ciało. Czy je dostrzegasz? Nie, ty nie. Aby naprawdę zagłębić się w właściwości neutrin, musimy zrobić duży wysiłek, a wkrótce pojawią się trzy nowe eksperymenty z neutrinami, które pozwolą nam sobie poradzić. Mamy nadzieję.
Odkryjmy:
WYDMA
Być może słyszałeś emocje związane z przeróbką klasycznej powieści science-fiction „Diuna”. To nie jest to. Zamiast tego ten DUNE oznacza „Deep Underground Neutrino Experiment”, który składa się z dwóch części. Część pierwsza będzie w Fermilab, w Illinois, i będzie obejmować gigantyczny pistolet neutrinowy w stylu geniuszu, który przyspieszy protony do prędkości światła, rozbije je na przedmioty i wystrzeli tryliony neutrin na sekundę poza końcem działalności.
Stamtąd neutrina będą podróżować w linii prostej (ponieważ to wszystko, co wiedzą, jak to zrobić), dopóki nie uderzą w drugą część, około 800 mil (1300 kilometrów) w Sanford Underground Research Facility w Południowej Dakocie. Dlaczego pod ziemią? Ponieważ neutrina poruszają się w linii prostej (znowu nie ma wyboru), ale Ziemia jest zakrzywiona, więc detektor musi siedzieć około mili (1,6 km) pod powierzchnią. I ten detektor ma około 40 000 ton (36 000 ton metrycznych) ciekłego argonu.
Hyper-Kamiokande
Poprzednikiem przyszłego Hyper-Kamiokande („Hyper-K”, jeśli chcesz być fajny na imprezach fizyki) była trafnie nazwana Super-Kamiokande („Super-K” z tych samych powodów), położona w pobliżu Hidy , Japonia. Jest to dość prosta konfiguracja dla obu instrumentów: gigantyczny zbiornik ultraczystej wody otoczony lampami fotopowielacza, które wzmacniają bardzo słabe sygnały świetlne.
Od czasu do czasu niezwykle rzadko neutrino uderza w cząsteczkę wody, powodując, że elektron lub pozyton (partner antymaterii elektronu) odpychają się szybciej niż prędkość światła w wodzie. Powoduje to błysk niebieskawego światła zwany promieniowaniem Czerenkowa, a światło to jest wychwytywane przez lampy fotopowielacza. Studiuj błysk, zrozum neutrino.
Super-K dokonał superhistorii w 1998 roku, kiedy dostarczył pierwszych solidnych dowodów na to, że neutrina zmieniają smak podczas lotu, w oparciu o obserwacje neutrin wytwarzanych w piekielnych głębinach jądra Słońca. Odkrycie sprawiło, że fizyk Takaaki Kajita otrzymał Nagrodę Nobla, a Super-K czułe poklepanie po tubie fotopowielacza.
Hyper-K jest jak Super-K, ale większy. Dzięki pojemności 264 milionów galonów (1 miliard litrów) wody ma 20-krotną objętość zbierającą Super-K, co oznacza, że może potencjalnie zebrać 20-krotną liczbę neutrin w tym samym czasie co Super-K. Hyper-K będzie poszukiwać neutrin wytwarzanych przez naturalne, organiczne reakcje, takie jak fuzja i supernowe, we wszechświecie, począwszy od około 2025 r. Kto wie? Może to również przynieść komuś nagrodę Nobla.
PINGU
Nie jestem do końca pewien, dlaczego fizycy wybierają akronimy, które robią podczas gigantycznych eksperymentów naukowych. W tym przypadku Pingu to imię europejskiego pingwina animowanego, który ma różne nieszczęścia i uczy się ważnych lekcji życia na kontynencie południowym. To także oznacza „Precision IceCube Next Generation Upgrade” (PINGU).
Część tego akronimu IceCube odnosi się do największego, najgorszego eksperymentu neutrino na świecie. Bazujący na Biegunie Południowym eksperyment składa się z ciągów detektorów zatopionych głęboko w polarnej pokrywie lodowej, które wykorzystają krystaliczną klarowność tego lodu do zrobienia tego samego, co robią Super- i Hyper-K w Japonii: wykrycie promieniowania Czerenkowa wytwarzane przez neutrina przebiegające przez lód. Eksperyment naprawdę rozpoczął się kilka lat temu, ale już naukowcy, którzy go prowadzą, mają ochotę na ulepszenie.
Dlatego. IceCube może być duży, ale to nie znaczy, że jest najlepszy. Ma martwy punkt: z powodu ogromnej wielkości (cały kilometr sześcienny lodu) trudno jest mu zobaczyć neutrina o niskiej energii; po prostu nie robią wystarczającej ilości popu i syczenia, aby mogły je zobaczyć detektory IceCube.
Wejdź do PINGU: kilka dodatkowych detektorów rozmieszczonych w pobliżu centrum IceCube, specjalnie zaprojektowanych do wychwytywania neutrin o niższej energii, które uderzają w Ziemię.
Kiedy (miejmy nadzieję) wejdzie w tryb online, PINGU dołączy do armii instrumentów i detektorów na całym świecie, które próbują złapać jak najwięcej tych upiornych, mało istotnych nici i odkryć ich tajemnice.
