Neutrina to chyba najbardziej zagadkowa ze znanych cząstek. Po prostu lekceważą wszystkie znane zasady dotyczące zachowania się cząstek. Szydzą z naszych wymyślnych detektorów. Podobnie jak kosmiczne koty, przemierzają wszechświat bez zmartwień i troski, od czasu do czasu wchodząc w interakcje z resztą z nas, ale tak naprawdę tylko wtedy, gdy mają na to ochotę, co szczerze mówiąc nie jest tak często.
Najbardziej frustrujące jest to, że noszą maski i nigdy nie wyglądają tak samo dwa razy.
Ale nowy eksperyment mógł zbliżyć nas o krok do zdzierania tych masek. Ujawnienie prawdziwej tożsamości neutrin może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na długotrwałe pytania, takie jak czy neutrina są ich własnymi partnerami antymaterii, a nawet może pomóc w zjednoczeniu sił natury w jedną spójną teorię.
Ogromny problem
Neutrina są dziwne. Istnieją trzy rodzaje: neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino tau. (Istnieją również antycząstkowe wersje tych trzech, ale to nie jest duża część tej historii.) Są tak nazwane, ponieważ te trzy rodzaje imprezują z trzema różnymi rodzajami cząstek. Neutrina elektronowe łączą interakcje z udziałem elektronów. Neutrina mionowe łączą się z mionami. Żadne punkty nie zostaną przyznane za odgadnięcie, z czym oddziałuje neutrino tau.
Jak dotąd wcale nie jest to dziwne. Nadchodzi dziwna część.
Dla cząstek, które są nie neutrina - jak elektrony, miony i cząsteczki tau - to, co widzisz, dostajesz. Cząstki te są dokładnie takie same, z wyjątkiem ich mas. Jeśli zauważysz cząsteczkę o masie elektronu, będzie ona zachowywać się dokładnie tak, jak elektron powinien się zachowywać, to samo dotyczy mionu i tau. Co więcej, gdy zauważysz elektron, zawsze będzie on elektronem. Nic dodać nic ująć. To samo dotyczy mionu i tau.
Ale to samo nie dotyczy ich kuzynów, elektronu, mionów i neutrin tau.
To, co nazywamy, powiedzmy, „neutrino tau” nie zawsze jest neutrino tau. Może zmienić swoją tożsamość. Może stać się w powietrzu, neutrino elektronowe lub mionowe.
To dziwne zjawisko, którego w zasadzie nikt się nie spodziewał, nazywa się oscylacją neutrin. Oznacza to między innymi, że możesz stworzyć neutrino elektronowe i wysłać je swojemu najlepszemu przyjacielowi w prezencie. Ale zanim go zdobędą, mogą być rozczarowani znalezieniem neutrino tau.
Chwiejność
Ze względów technicznych oscylacja neutrin działa tylko wtedy, gdy istnieją trzy neutrina o trzech różnych masach. Ale neutrina, które oscylują, nie są neutrinami o smaku elektronów, mionów i tau.
Zamiast tego istnieją trzy „prawdziwe” neutrina, każde o innej, ale nieznanej masie. Wyraźna mieszanka tych prawdziwych, podstawowych neutrin tworzy każdy z neutrin o smaku wykrywanym w naszych laboratoriach (elektron, mion, tau). Masa zmierzona w laboratorium jest więc mieszanką tych prawdziwych mas neutrin. Tymczasem masa każdego prawdziwego neutrina w mieszance decyduje o tym, jak często zmienia się ona w każdy z różnych smaków.
Teraz zadaniem fizyków jest rozplątanie wszystkich relacji: jakie są masy tych prawdziwych neutrin i jak się ze sobą łączą, aby uzyskać trzy smaki?
Tak więc fizycy poszukują, aby odkryć masy „prawdziwych” neutrin, sprawdzając, kiedy i jak często zmieniają smaki. Znów żargon fizyki jest bardzo nieprzydatny, gdy wyjaśnia się to, ponieważ nazwy tych trzech neutrin to po prostu m1, m2 i m3.
Różnorodne żmudne eksperymenty nauczyły naukowców pewnych rzeczy na temat mas prawdziwych neutrin, przynajmniej pośrednio. Na przykład wiemy o niektórych relacjach między kwadratem mas. Ale nie wiemy dokładnie, ile ważą prawdziwe neutrina, i nie wiemy, które z nich są cięższe.
Możliwe, że m3 jest najcięższym, znacznie przewyższającym m2 i m1. Nazywa się to „normalnym porządkowaniem”, ponieważ wydaje się całkiem normalne - i to fizycy porządkujący w zasadzie odgadli dziesiątki lat temu. Jednak w oparciu o nasz obecny stan wiedzy może być również tak, że m2 jest najcięższym neutrino, z m1 nie daleko w tyle i m3 puszystym w porównaniu. Ten scenariusz nazywa się „kolejnością odwróconą”, ponieważ oznacza to, że początkowo domyśliliśmy się złej kolejności.
Oczywiście istnieją obozy teoretyków, które starają się, aby każdy z tych scenariuszy był prawdziwy. Teorie, które próbują zjednoczyć wszystkie (lub przynajmniej większość) siły natury pod jednym dachem, zwykle wymagają normalnego uporządkowania masy neutrin. Z drugiej strony, uporządkowanie odwróconej masy jest konieczne, aby neutrino było własnym bliźniakiem antycząstkowym. A jeśli to prawda, mogłoby to pomóc wyjaśnić, dlaczego we wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii.
Trening DeepCore
Co to jest: normalny czy odwrócony? To jedno z największych pytań, jakie wynikają z ostatnich kilkudziesięciu lat badań nad neutrinami, i właśnie na to pytanie odpowiedzieli ogromne masywne obserwatorium IceCube Neutrino. Obserwatorium, znajdujące się na biegunie południowym, składa się z kilkudziesięciu ciągów detektorów zatopionych w lodowej powierzchni Antarktydy, z centralnym „DeepCore” z ośmiu ciągów bardziej wydajnych detektorów zdolnych do wykrywania oddziaływań o niższej energii.
Neutrina ledwo rozmawiają z normalną materią, więc są w stanie przepłynąć prosto przez ciało Ziemi. Gdy to zrobią, zmienią się w różne smaki. Od czasu do czasu uderzą w cząsteczkę na lodowej powierzchni Antarktydy w pobliżu detektora IceCube, wywołując kaskadowy deszcz cząstek, które emitują zaskakująco niebieskie światło zwane promieniowaniem Czerenkowa. To światło wykrywa ciągi IceCube.
W niedawnym artykule opublikowanym w czasopiśmie arXiv, naukowcy IceCube wykorzystali dane z DeepCore z trzech lat, aby zmierzyć liczbę każdego rodzaju neutrin przechodzących przez Ziemię. Postęp jest oczywiście powolny, ponieważ neutrina są tak trudne do złapania. Ale w tej pracy. naukowcy zgłaszają niewielką preferencję danych do normalnego uporządkowania (co oznaczałoby, że zgadywaliśmy dziesiątki lat temu). Jednak nie znaleźli jeszcze nic rozstrzygającego.
Czy to wszystko, co dostaniemy? Zdecydowanie nie. IceCube przygotowuje się wkrótce do poważnej aktualizacji, a nowe eksperymenty, takie jak Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) i Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) przygotowują się również do rozwiązania tego kluczowego pytania. Kto wiedział, że tak proste pytanie o uporządkowanie mas neutrin ujawni tak wiele sposobu działania wszechświata? Szkoda, że to nie jest łatwe pytanie.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem "Zapytaj kosmonautę" i "Radio kosmiczne, ”i autor„Twoje miejsce we wszechświecie."
