Co sekundę każdego dnia jesteś bombardowany trylionami bilionów cząstek subatomowych, opadającymi z głębin kosmosu. Przebijają się przez ciebie z siłą kosmicznego huraganu, wybuchając z prędkością prawie prędkości światła. Przybywają z całego nieba, o każdej porze dnia i nocy. Wnikają w pole magnetyczne Ziemi i naszą ochronną atmosferę jak masło.
A jednak włosy na czubku głowy nawet nie są pomarszczone.
Co się dzieje?
Trochę neutralny
Te małe, małe pociski nazywane są neutrinami, termin wymyślony w 1934 roku przez genialnego fizyka Enrico Fermiego. Słowo „mało neutralne” jest w języku włoskim, a ich istnienie zostało postawione w hipotezie wyjaśniającej bardzo dziwną reakcję jądrową.
Czasami elementy wydają się trochę… niestabilne. A jeśli zostają zbyt długo sami, rozpadają się i przekształcają w coś innego, coś nieco lżejszego na układzie okresowym. Ponadto wyskoczyłby trochę elektronu. Ale w latach dwudziestych uważne i szczegółowe obserwacje tych rozpadów wykazały drobne, drobne rozbieżności. Całkowita energia na początku procesu była nieco większa niż energia wychodząca. Matematyka się nie sumowała. Dziwny.
Tak więc kilku fizyków wymyśliło zupełnie nową cząsteczkę z całej tkaniny. Coś, co zabierze brakującą energię. Coś małego, coś lekkiego, coś bez opłat. Coś, co może niezauważalnie prześlizgnąć się przez ich detektory.
Trochę neutralny. Neutrino.
Potwierdzenie ich istnienia zajęło kolejne kilkadziesiąt lat - oto, jakie są śliskie, przebiegłe i podstępne. Ale w 1956 roku neutrina dołączyły do rosnącej rodziny znanych, odmierzonych, potwierdzonych cząstek.
A potem wszystko stało się dziwne.
Ulubiony smak
Kłopoty zaczęły się wznosić wraz z odkryciem mionu, co przypadkiem zdarzyło się mniej więcej w tym samym czasie, w którym idea neutrin zaczęła zyskiwać popularność: w latach 30. XX wieku. Mion jest prawie dokładnie jak elektron. Ta sama opłata. Ten sam obrót. Ale różni się pod jednym kluczowym względem: jest cięższy, ponad 200 razy masywniejszy niż jego rodzeństwo, elektron.
Miony biorą udział w ich własnych reakcjach, ale nie trwają długo. Ze względu na imponującą masę są bardzo niestabilne i szybko rozpadają się na strumienie mniejszych bitów („szybko” oznacza tutaj w ciągu mikrosekundy lub dwóch).
Wszystko dobrze i dobrze, więc dlaczego miony biorą udział w historii neutrin?
Fizycy zauważyli, że reakcje rozpadu sugerujące istnienie neutrina zawsze wyskakiwały z elektronu, a nigdy mion. W innych reakcjach wyskakują miony, a nie elektrony. Aby wyjaśnić te odkrycia, uzasadnili, że neutrina zawsze pasują do elektronów w tych reakcjach rozpadu (a nie do jakiegokolwiek innego rodzaju neutrina), podczas gdy elektron, mion musi sparować się z dotychczas nieodkrytym typem neutrina… W końcu elektron przyjazne neutrino nie byłoby w stanie wyjaśnić obserwacji z wydarzeń związanych z mionami.
I tak polowanie trwało. I dalej I dalej Dopiero w 1962 roku fizycy w końcu zablokowali drugi rodzaj neutrino. Pierwotnie nazwano go „neutretto”, ale bardziej racjonalne głowy dominowały w schemacie nazywania go neutrino mionowym, ponieważ zawsze łączyły się w reakcjach z mionem.
Droga Tao
Okej, więc dwa potwierdzone neutrina. Czy natura przygotowała dla nas coś więcej? W 1975 r. Naukowcy z Stanford Linear Accelerator Center odważnie przerzucili góry monotonnych danych, aby odkryć istnienie jeszcze cięższego rodzeństwa do zwinnego elektronu i potężnego mionu: potężne tau, osiągające imponującą masę 3500 razy większą niż elektron . To duża cząstka!
Natychmiast pojawiło się pytanie: jeśli istnieje rodzina trzech cząstek, elektronu, mionu i tau… czy może istnieć trzecie neutrino, które sparuje się z nowo odkrytym stworzeniem?
Może, może nie. Może są tylko dwa neutrina. Może są cztery. Może 17. Natura wcześniej nie spełniała naszych oczekiwań, więc nie ma powodu, aby zacząć teraz.
Pomijając wiele makabrycznych szczegółów, przez dziesięciolecia fizycy przekonali się, korzystając z różnych eksperymentów i obserwacji, że trzecie neutrino powinno istnieć. Ale dopiero pod koniec tysiąclecia, w 2000 r., Specjalnie zaprojektowany eksperyment w Fermilab (humorystycznie nazwany eksperymentem DONUT, dla bezpośredniej obserwacji NU Tau i nie, nie zmyślam) w końcu dostał wystarczająca liczba potwierdzonych obserwacji, aby słusznie domagać się wykrycia.
W pogoni za duchami
Dlaczego więc tak bardzo dbamy o neutrina? Dlaczego ścigamy ich od ponad 70 lat, od czasów przed II wojną światową do czasów współczesnych? Dlaczego pokolenia naukowców są tak zafascynowane tymi małymi, neutralnymi?
Powodem jest to, że neutrina nadal żyją poza naszymi oczekiwaniami. Przez długi czas nie byliśmy nawet pewni, czy istnieją. Przez długi czas byliśmy przekonani, że są całkowicie bezmasowi, aż eksperymenty irytujące wykazały, że muszą mieć masę. Dokładnie „ile” pozostaje współczesnym problemem. A neutrina mają ten irytujący zwyczaj zmieniania charakteru podczas podróży. Zgadza się, ponieważ neutrino podróżuje w locie, może przełączać maski między trzema smakami.
Może nawet istnieć dodatkowe neutrino, które nie bierze udziału w żadnych zwykłych interakcjach - coś znanego jako sterylne neutrino, na które fizycy łakną głodu.
Innymi słowy, neutrina nieustannie podważają wszystko, co wiemy o fizyce. A jeśli jest coś, czego potrzebujemy, zarówno w przeszłości, jak iw przyszłości, jest to dobre wyzwanie.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor Twoje miejsce we wszechświecie.
