Neutrina to nieuchwytne cząsteczki subatomowe powstające w wielu procesach jądrowych. Ich nazwa, co oznacza „mało neutralny”, odnosi się do faktu, że nie niosą ładunku elektrycznego. Spośród czterech podstawowych sił we wszechświecie neutrina oddziałują tylko z dwoma - grawitacją i słabą siłą, która jest odpowiedzialna za radioaktywny rozpad atomów. Niemal bez masy przemykają przez kosmos z prędkością niemal światła.
Niezliczone neutrina powstały ułamki sekundy po Wielkim Wybuchu. A przez cały czas powstają nowe neutrina: w jądrowych sercach gwiazd, w akceleratorach cząstek i reaktorach atomowych na Ziemi, podczas wybuchowego zapadnięcia się supernowych i rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Oznacza to, że we wszechświecie jest średnio 1 miliard razy więcej neutrin niż protonów we wszechświecie, według fizyka Karstena Heegera z Uniwersytetu Yale w New Haven w Connecticut.
Pomimo wszechobecności neutrina pozostają w dużej mierze tajemnicą dla fizyków, ponieważ cząsteczki są tak trudne do złapania. Neutrina przepływają przez większość materii, jakby były promieniami świetlnymi przechodzącymi przez przezroczyste okno, prawie nie wchodząc w interakcje ze wszystkim, co istnieje. W tym momencie przez każdy centymetr kwadratowy twojego ciała przechodzi około 100 miliardów neutrin, choć nic nie poczujesz.
Odkrywanie niewidzialnych cząstek
Neutrina zostały po raz pierwszy postawione jako odpowiedź na zagadkę naukową. Pod koniec XIX wieku badacze zastanawiali się nad zjawiskiem znanym jako rozpad beta, w którym jądro wewnątrz atomu samorzutnie emituje elektron. Rozpad beta wydawał się naruszać dwa podstawowe prawa fizyczne: zachowanie energii i zachowanie pędu. W rozpadzie beta ostateczna konfiguracja cząstek wydawała się mieć nieco za mało energii, a proton stał raczej nieruchomo niż został uderzony w przeciwnym kierunku niż elektron. Dopiero w 1930 roku fizyk Wolfgang Pauli zaproponował pomysł, że dodatkowa cząstka może lecić z jądra, niosąc ze sobą brakującą energię i pęd.
„Zrobiłem okropną rzecz. Postulowałem cząsteczkę, której nie można wykryć”, powiedział Pauli do przyjaciela, odnosząc się do faktu, że jego hipotetyczne neutrino było tak upiorne, że ledwo wchodziło w interakcje z czymkolwiek i nie miało prawie żadnej masy .
Ponad ćwierć wieku później fizycy Clyde Cowan i Frederick Reines zbudowali detektor neutrin i umieścili go poza reaktorem jądrowym w elektrowni atomowej Savannah River w Południowej Karolinie. Ich eksperymentowi udało się wyłapać kilkaset trylionów neutrin, które leciały z reaktora, a Cowan i Reines z dumą wysłali Pauli telegram z informacją o ich potwierdzeniu. Reines wygrał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1995 r. - do tego czasu Cowan zmarł.
Ale od tego czasu neutrina nieustannie przeciwstawiają się oczekiwaniom naukowców.
Słońce wytwarza kolosalną liczbę neutrin, które bombardują Ziemię. W połowie XX wieku naukowcy zbudowali detektory do wyszukiwania tych neutrin, ale ich eksperymenty wciąż wykazywały rozbieżności, wykrywając tylko około jednej trzeciej przewidywanych neutrin. Albo coś było nie tak z modelami słońca astronomów, albo działo się coś dziwnego.
Fizycy w końcu zdali sobie sprawę, że neutrina prawdopodobnie występują w trzech różnych smakach lub rodzajach. Zwykłe neutrino nazywa się neutrino elektronowe, ale istnieją również dwa inne smaki: neutrino mionowe i neutrino tau. Gdy przechodzą przez odległość między słońcem a naszą planetą, neutrina oscylują między tymi trzema typami, dlatego te wczesne eksperymenty - które zostały zaprojektowane wyłącznie w celu poszukiwania jednego smaku - wciąż brakowały dwóch trzecich ich całkowitej liczby.
Ale tylko cząstki o masie mogą podlegać tej oscylacji, co jest sprzeczne z wcześniejszymi poglądami, że neutrina są bezmasowe. Podczas gdy naukowcy wciąż nie znają dokładnych mas wszystkich trzech neutrin, eksperymenty wykazały, że najcięższy z nich musi być co najmniej 0,0000059 razy mniejszy niż masa elektronu.
Nowe zasady dotyczące neutrin?
W 2011 r. Naukowcy z projektu Oscillation Project z eksperymentem Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) we Włoszech wywołali ogólnoświatową sensację, ogłaszając, że wykryli neutrina podróżujące szybciej niż prędkość światła - przedsięwzięcie, które rzekomo jest niemożliwe. Choć szeroko zgłaszane w mediach, wyniki spotkały się z dużym sceptycyzmem ze strony społeczności naukowej. Niecały rok później fizycy zdali sobie sprawę, że wadliwe okablowanie naśladowało odkrycie szybsze niż światło, a neutrina wróciły do królestwa kosmicznie przestrzegających prawa cząstek.
Ale naukowcy wciąż mają wiele do nauczenia się o neutrinach. Niedawno badacze z eksperymentu Mini Booster Neutrino (MiniBooNE) w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) w pobliżu Chicago dostarczyli przekonujących dowodów na to, że wykryli nowy typ neutrino, zwany sterylnym neutrino. Takie odkrycie potwierdza wcześniejszą anomalię obserwowaną w detektorze ciekłego scyntylatora Neutrino (LSND), eksperymencie w Los Alamos National Laboratory w Nowym Meksyku. Sterylne neutrina wzniosłyby całą znaną fizykę, ponieważ nie pasują do tak zwanego Modelu Standardowego, struktury, która wyjaśnia prawie wszystkie znane cząstki i siły oprócz grawitacji.
Jeśli nowe wyniki MiniBooNE utrzymają się: „Byłoby to ogromne; wykraczałoby to poza Model Standardowy; wymagałoby to nowych cząstek… i zupełnie nowych ram analitycznych” - powiedziała Live Science fizyk cząstek, Kate Scholberg z Duke University.
