Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki planuje zmierzyć masę neutrin. Teorię oscylacji neutrin, za potwierdzenie której przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, wysunięto w ZSRR. Mała cząstka neutralna

Fizycy, laureaci Nagroda Nobla 2015, odkrył zjawisko, niekompatybilny z ogólnie przyjętymi Model Standardowy Cząstek Elementarnych. Niezależnie od siebie, potwierdzili to eksperymentalnie neutrina mają masę. Mechanizm Higgsa powstawania mas cząstek elementarnych nie jest w stanie wyjaśnić tego zjawiska. Według Modelu Standardowego neutrina nie powinny mieć masy.

Rodzi się wiele pytań i otwiera się szerokie pole do nowych badań.

Także w lata 60 ostatni wiek Bruno Pontecorvo, słynny włoski i radziecki(wyemigrował do ZSRR w 1950) fizyk, który pracował Wspólny Instytut Badań Jądrowych V Dubna, zasugerował, że neutrina mają masę i zaproponował pomysł eksperymentu sprawdzającego tę hipotezę. Dowodem na obecność masy w neutrinach może być obserwacja ich oscylacji. Oscylacje to powtarzające się procesy w stanie układu.

W przypadku neutrin tak jest powtarzająca się transformacja trzech typów neutrin(elektrony, miony i neutrina taonowe) na siebie. Z teorii wynikało, że czas trwania okresów oscylacji jest określony przez różnicę kwadratów mas neutrin przechodzących z jednego typu na drugi. Uważano, że najmniejszą masę ma neutrino elektronowe, nieco więcej neutrino mionowe, a jeszcze więcej neutrino taonowe. Obserwując oscylacje, można oszacować różnicę kwadratów mas i tym samym udowodnić, że masy neutrin istnieją, jednak w tym doświadczeniu nie jest możliwe oszacowanie wartości mas każdego rodzaju neutrin z osobna.

Laureat Nagrody Nobla Arthura MacDonalda badał strumień neutrin słonecznych w Obserwatorium Neutrino Sudbury w Kanadzie. Strumienie neutrin pochodzących ze Słońca były wielokrotnie badane w różnych podziemnych obserwatoriach na całym świecie i zawsze okazywało się, że obserwowany strumień neutrin jest trzy razy mniejszy niż oczekiwano. Oczekiwany strumień oszacowano na podstawie wydajności neutrin z reakcji termojądrowych zachodzących w jądrze Słońca. W wyniku tych reakcji ze Słońca wypływa strumień neutrin elektronowych. To właśnie ten typ neutrin był w stanie wykryć detektory. Od dawna zakładano, że w drodze ze Słońca neutrina mogą przekształcać się z elektronów w inne typy. Arthur MacDonald był w stanie obserwować strumienie wszystkich trzech typów neutrin i wykazać, że w sumie odpowiadały one oczekiwaniom. Wykazano, że okres oscylacji jest krótszy niż czas podróży strumienia neutrin ze Słońca na Ziemię i w tym czasie dużej liczbie neutrin elektronowych udaje się zamienić w miony i tau. W ten sposób eksperymentalnie odkryto proces oscylacji, a co za tym idzie, potwierdzono, że neutrino ma masę.

Laureat Nagrody Nobla Takaaki Khajiit przeprowadził obserwacje wysokoenergetycznych neutrin na teleskopie neutrin Super-Kamiokande. Neutrina wysokoenergetyczne powstają w atmosferze ziemskiej w wyniku działania promieni kosmicznych. Eksperyment polegał na porównaniu strumieni netrin mionowych docierających do detektora bezpośrednio z atmosfery ze strumieniem neutrin z przeciwnej strony Ziemi, przechodzących przez całą grubość Ziemi do detektora. Okazało się, że w drugim strumieniu część neutrin mionowych zamieniła się w elektrony. W ten sposób niezależnie udowodniono, że oscylacje występują w strumieniach neutrin, a zatem neutrina mają masę.

W rzeczywistości zarówno same procesy, jak i ich obserwacje są o wiele rzędów wielkości bardziej złożone niż te opisane w tym tekście.

MOSKWA, 6 października – RIA Nowosti. Kanadyjski fizyk Arthur MacDonald, który wraz z Japończykiem Takaaki Kajitą otrzymał Nagrodę Nobla w 2015 roku za odkrycie oscylacji neutrin, marzy o zmierzeniu dokładnej masy neutrin, co pozwoliłoby naukowcom odkryć tajemnicę narodzin Wszechświata, którą ogłosił na konferencji prasowej w Sztokholmie.

"Tak, naprawdę wciąż mamy wiele pytań o to, czym są neutrina i jak ich przemiany wpisują się w Model Standardowy fizyki. Nie wiemy jeszcze, jaka jest masa neutrin, a obecnie przeprowadzane są eksperymenty w naszych laboratoriach w którym staramy się to obliczyć i zrozumieć, czy istnieją inne typy tych cząstek” – powiedział naukowiec.

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2015 przyznana za oscylacje neutrinNagrodę przyznano naukowcom Arthurowi B. MacDonaldowi (Kanada) i Takaaki Kaita (Japonia) za odkrycie, które może zdecydowanie zmienić rozumienie Wszechświata – stwierdził w oświadczeniu Komitet Noblowski.

McDonald i Khajita zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2015 r. za odkrycie w 1998 r. zjawiska oscylacji neutrin – zdolności tych nieuchwytnych cząstek do „przełączania się” pomiędzy trzema typami: neutrinami elektronowymi, mionowymi i taonowymi.

Neutrina to elektrycznie obojętne cząstki elementarne, które powstają w wyniku różnego rodzaju reakcji jądrowych, w szczególności w reaktorach jądrowych, lub powstają na Słońcu i opadają na Ziemię wraz z promieniami kosmicznymi. Wyróżniają się wyjątkowo dużą zdolnością penetracji. Neutrino może przelecieć przez setki metrów betonu i „nie zauważyć” przeszkody.

Zdolność różnych typów neutrin do wzajemnego przekształcania się może istnieć tylko wtedy, gdy cząstka ta ma niezerową masę. Szacunki masy Wszechświata, a co za tym idzie idee dotyczące jego przyszłych losów, zależą od obecności masy w neutrinach. Ponadto niezerowa masa neutrin może tłumaczyć fakt, że Wszechświat składa się z materii, a antymaterii praktycznie w niej nie ma, chociaż w momencie Wielkiego Wybuchu powinny pojawić się obie te substancje w równych ilościach.

Odkrycie Macdonalda i Khajity zostało ostatecznie potwierdzone dopiero latem 2015 r., kiedy fizycy z CERN-u wykryli piąte neutrino taonowe w strumieniu neutrin mionowych przemieszczających się ze Szwajcarii do Włoch, gdzie znajduje się słynny detektor OPERA, co dało początek „neutrinom nadświetlnym” sensację w 2011 roku, która wkrótce została obalona.

Nie da się obecnie przewidzieć, w jaki sposób wyniki badań neutrin zostaną wykorzystane – twierdzą eksperci. Jednakże badania te przyniosły już pewne praktyczne wyniki lub można się ich spodziewać w najbliższej przyszłości.

Jak powiedzieli rosyjscy naukowcy w ramach „Poniedziałku naukowego” RIA Novosti, wykorzystując neutrinoskopie Ziemi, możliwe jest mapowanie skał we wnętrzu Ziemi, badanie historii erupcji wulkanów i topnienia lodu na Antarktydzie, a także monitorowanie operacji elektrowni jądrowych i monitoruje testy broni jądrowej.

Fizyka

Nagroda Nobla w 2015 r. została przyznana za „odkrycie oscylacji neutrin, które dowodzą, że neutrina mają masę”.

W 1998 roku Takaaki Kajita, wówczas członek współpracy Super-Kamiokande, przedstawił dane wykazujące zanikanie atmosferycznych mu-neutrin, czyli neutrin wytwarzanych przez promienie kosmiczne przechodzące przez atmosferę w drodze do detektora. W 2001 roku Arthur B. McDonald, dyrektor Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Collaboration, opublikował dowody na konwersję neutrin elektronowych ze Słońca w neutrina mi i taon. Odkrycia te miały ogromne znaczenie i stanowiły przełom w fizyce cząstek elementarnych. Oscylacje neutrin i powiązane ze sobą zagadnienia natury neutrin, masy neutrin oraz możliwości złamania symetrii stosunku ładunków leptonów to najważniejsze zagadnienia współczesnej kosmologii i fizyki cząstek elementarnych.

Żyjemy w świecie neutrin. W każdej sekundzie przez nasze ciało „przepływają” tysiące miliardów neutrin. Nie można ich zobaczyć i nie można ich poczuć. Neutrina pędzą w przestrzeni kosmicznej z prędkością niemal równą prędkości światła i praktycznie nie oddziałują z materią. Istnieje ogromna liczba źródeł neutrin zarówno w kosmosie, jak i na Ziemi. Niektóre neutrina powstały w wyniku Wielkiego Wybuchu. A teraz źródłami neutrin są eksplozje supernowych i rozpad nadolbrzymów, a także reakcje radioaktywne w elektrowniach jądrowych i procesy naturalnego rozpadu promieniotwórczego w przyrodzie. Zatem neutrina są drugimi po fotonach, cząstkami światła, najliczniejszymi cząstkami elementarnymi. Ale mimo to przez długi czas nie ustalono ich istnienia.

Możliwość istnienia neutrin zaproponował austriacki fizyk Wolfgang Pauli jako próbę wyjaśnienia przemian energii podczas rozpadu beta (rodzaj radioaktywnego rozpadu atomu z emisją elektronów). W grudniu 1930 roku zaproponował, aby część energii została odebrana przez elektrycznie obojętną, słabo oddziałującą cząstkę o bardzo małej masie (prawdopodobnie bezmasowej). Sam Pauli wierzył w istnienie takiej cząstki, ale jednocześnie rozumiał, jak trudno jest wykryć cząstkę o takich parametrach metodami fizyki eksperymentalnej. Pisał o tym: „Zrobiłem straszną rzecz, postulowałem istnienie cząstki, której nie da się wykryć”. Wkrótce, po odkryciu w 1932 roku masywnej, silnie oddziałującej cząstki podobnej do protonu, ale tylko obojętnej (częścią atomu jest neutron), włoski fizyk Enrico Fermi zaproponował, aby Pauli nazwał tę nieuchwytną cząstkę elementarną neutrinem.

Możliwość wykrywania neutrin pojawiła się dopiero pod koniec lat 50. XX wieku, kiedy wybudowano dużą liczbę elektrowni jądrowych i znacznie wzrósł strumień neutrin. W 1956 r. F. Rhines (również późniejszy laureat Nagrody Nobla z 1995 r.) przeprowadził eksperyment mający na celu wdrożenie pomysłu radzieckiego fizyka B.M. Pontecorvo w sprawie wykrywania neutrin i antyneutrin w reaktorze jądrowym w Południowej Karolinie. W rezultacie wysłał telegram do Wolfganga Pauliego (zaledwie rok przed śmiercią), w którym poinformował go, że neutrina pozostawiły ślady w ich detektorze. I już w 1957 r. B.M. Pontecorvo opublikował kolejną pionierską pracę na temat neutrin, w której był pionierem idei oscylacji neutrin.
Od lat 60. naukowcy aktywnie zaczęli rozwijać nowy kierunek naukowy - astronomię neutrin. Jednym z zadań było policzenie liczby neutrin powstałych w wyniku reakcji jądrowych zachodzących na Słońcu. Jednak próby zarejestrowania szacunkowej liczby neutrin na Ziemi wykazały, że brakowało około dwóch trzecich neutrin! Oczywiście w dokonanych obliczeniach mogą wystąpić błędy. Jednak jednym z możliwych rozwiązań była zmiana typu niektórych neutrin. Zgodnie z aktualnie obowiązującym w fizyce cząstek elementarnych Modelem Standardowym (Rysunek 1) wyróżnia się trzy rodzaje neutrin – neutrina elektronowe, mu-neutrina i neutrina taonowe.

Rysunek 1 – Model Standardowy to konstrukt teoretyczny z fizyki cząstek elementarnych, który opisuje elektromagnetyczne, słabe i silne oddziaływania wszystkich cząstek elementarnych. Model Standardowy nie jest teorią wszystkiego, ponieważ nie opisuje ciemnej materii, ciemnej energii i nie uwzględnia grawitacji. Zawiera 6 leptonów (elektron, mion, lepton tau, neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino taonowe), 6 kwarków (u, d, s, c, b, t) i 12 odpowiednich antycząstek. (http://elementy.ru/LHC/HEP/SM)

Każdemu rodzajowi neutrina odpowiada jego naładowany partner – elektron i dwie inne cięższe cząstki o krótszym czasie życia – mion i lepton tau. W wyniku reakcji jądrowych na Słońcu powstają jedynie neutrina elektronowe, a brakujące neutrina można by odnaleźć, gdyby w drodze na Ziemię neutrina elektronowe zamieniły się w mu-neutrina i taon-neutrina.

Poszukiwanie neutrin głęboko pod ziemią

Poszukiwania neutrin prowadzone są w sposób ciągły, dzień i noc, w kolosalnych instalacjach zbudowanych głęboko pod ziemią w celu odfiltrowania obcych szumów powstających na skutek promieniowania kosmicznego i spontanicznych reakcji radioaktywnych w środowisku. Bardzo trudno jest odróżnić sygnały kilku prawdziwych neutrin słonecznych od miliardów fałszywych.

Obserwatorium Neutronów Super-Kamiokande zbudowano w 1996 roku pod górą Kamioka, 250 km na północny zachód od Tokio. Kolejne obserwatorium, Sudbury Neutrino Observatory (SNO), zostało zbudowane w 1999 roku w kopalni niklu niedaleko Ontario.

Rysunek 2 – Super-Kamiokande to detektor neutrin atmosferycznych. Kiedy neutrino oddziałuje z wodą, powstaje elektrycznie naładowana cząstka. Prowadzi to do pojawienia się promieniowania Czerenkowa-Wawilowa, które jest rejestrowane przez detektory światła. Kształt i intensywność widma promieniowania Czerenkowa-Wawiłowa pozwala określić rodzaj cząstki i skąd ona pochodzi.

Super-Kamiokande to gigantyczny detektor zbudowany na głębokości 1000 metrów. Składa się ze zbiornika o wymiarach 40 na 40 metrów, wypełnionego 50 000 ton wody. Woda w zbiorniku jest tak czysta, że ​​światło może przebyć 70 metrów, zanim jego intensywność zmniejszy się o połowę. W zwykłym basenie odległość ta wynosi zaledwie kilka metrów. Po bokach zbiornika, na jego górze i na dole, znajduje się 11 000 czujników światła, które pozwalają zarejestrować najmniejszy błysk światła w wodzie. Duża liczba neutrin przechodzi przez zbiornik z wodą, ale tylko kilka z nich oddziałuje z atomami i/lub elektronami, tworząc elektrycznie naładowane cząstki. Miony powstają z mu-neutrin, a elektrony z neutrin elektronowych. Wokół powstałych naładowanych cząstek tworzą się błyski niebieskiego światła. Jest to tzw. promieniowanie Czerenkowa-Wawilowa, które występuje, gdy naładowane cząstki poruszają się z prędkością przekraczającą prędkość światła w danym ośrodku. I nie przeczy to teorii Einsteina, która stwierdza, że ​​nic nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła w próżni. W wodzie prędkość światła wynosi tylko 70% prędkości światła w próżni i dlatego może zostać zablokowana przez prędkość naładowanej cząstki.

Kiedy promieniowanie kosmiczne przechodzi przez warstwy atmosfery, rodzi się duża liczba mu-neutrin, które muszą przebyć zaledwie kilkadziesiąt kilometrów do detektora. Super-Kamiokande potrafi wykryć mu-neutrina pochodzące bezpośrednio z atmosfery, a także te neutrina, które dostają się do detektora z przeciwnej strony, przechodząc przez całą grubość globu. Oczekiwano, że liczba mu-neutrin wykrytych w obu kierunkach będzie taka sama, ponieważ grubość Ziemi nie stanowi żadnej bariery dla neutrin. Jednak liczba neutrin uderzających w Super-Kamiokande bezpośrednio z atmosfery była znacznie większa. Liczba neutrin elektronowych docierających w obu kierunkach nie różniła się. Okazuje się, że ta część mu-neutrina, która przebyła dłuższą drogę przez grubość Ziemi, najprawdopodobniej w jakiś sposób zamieniła się w neutrino taonowe. Nie było jednak możliwości zarejestrowania tych przemian bezpośrednio w obserwatorium Super-Kamiokande.

Aby uzyskać ostateczną odpowiedź na pytanie o możliwość transformacji lub oscylacji neutrin, przeprowadzono kolejny eksperyment w drugim obserwatorium neutrin, Sudbury Neutrino Observatory (Rysunek 3). Został zbudowany 2000 metrów pod ziemią i wyposażony w 9500 detektorów światła. Obserwatorium ma na celu wykrywanie neutrin słonecznych, których energia jest znacznie niższa od tej generowanej w warstwach atmosfery. Zbiornik napełniono nie tylko wodą oczyszczoną, ale ciężką wodą, w której każdy atom wodoru w cząsteczce wody ma dodatkowy neutron. Zatem prawdopodobieństwo oddziaływania neutrina z ciężkimi atomami wodoru jest znacznie wyższe. Ponadto obecność ciężkich jąder pozwala neutrinom oddziaływać z innymi reakcjami jądrowymi, w związku z czym obserwowane będą rozbłyski światła o różnym natężeniu. Niektóre typy reakcji umożliwiają wykrycie wszystkich typów neutrin, ale niestety nie pozwalają na dokładne odróżnienie jednego typu od drugiego.

Rysunek 3 – Obserwatorium Neutrino Sudbury to detektor neutrin słonecznych. Reakcje pomiędzy ciężkimi jądrami wodoru i neutrinami pozwalają na jednoczesne wykrycie zarówno neutrin wyłącznie elektronowych, jak i wszystkich typów neutrin. (Ilustracje 2 i 3 ze strony internetowej Komitetu Nobla nobelprize.org i Szwedzkiej Akademii Nauk kva.se)

Po rozpoczęciu eksperymentu obserwatorium rejestrowało 3 neutrina dziennie z 60 miliardów neutrin docierających do Ziemi ze Słońca co 1 cm2. A i tak było to 3 razy mniej niż obliczona liczba elektronowych neutrin słonecznych. Całkowita liczba wszystkich typów neutrin wykrytych w obserwatorium z dużą dokładnością odpowiadała oczekiwanej liczbie neutrin emitowanych przez Słońce. Uogólniając wyniki eksperymentów dwóch obserwatoriów neutrin, zaproponowana przez Pontecorvo teoria o fundamentalnej możliwości oscylacji neutrin pozwoliła udowodnić istnienie przemian neutrin na drodze ze Słońca do Ziemi. W tych dwóch obserwatoriach, Super-Kamiokande i Sudbury Neutrino Observatory, po raz pierwszy uzyskano opisane wyniki, a ich interpretację zaproponowano w 2001 roku. Aby ostatecznie zweryfikować poprawność eksperymentów, rok później, w 2002 roku, rozpoczęto eksperyment KamLAND (Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector), w którym jako źródło neutronów wykorzystano reaktor. Kilka lat później, po zgromadzeniu wystarczających statystyk, wyniki transformacji neutrin zostały potwierdzone z dużą dokładnością.

Aby wyjaśnić mechanizm przemian lub oscylacji neutrin, naukowcy sięgnęli do klasycznej teorii mechaniki kwantowej. Efekt przemiany neutrin elektronowych w neutrina mu i taonowe zakłada z punktu widzenia mechaniki kwantowej, że neutrina mają masę, w przeciwnym razie proces ten nawet teoretycznie nie jest możliwy. W mechanice kwantowej cząstce o określonej masie odpowiada fala o określonej częstotliwości. Neutrina są superpozycją fal, które odpowiadają neutrinom różnych typów o różnych masach. Kiedy fale są w fazie, niemożliwe jest odróżnienie jednego typu neutrina od drugiego. Jednak podczas znacznego czasu przemieszczania się neutrin ze Słońca na Ziemię może nastąpić przefazowanie fal i wówczas możliwa jest ich późniejsza superpozycja w inny sposób. Wtedy możliwe staje się odróżnienie jednego rodzaju neutrina od drugiego. Takie osobliwe zmiany wynikają z faktu, że różne typy neutrin mają różne masy, ale różnią się one w bardzo niewielkim stopniu. Masę neutrina szacuje się na miliony razy mniejszą od masy elektronu – jest to wielkość nieistotna. Jednakże ze względu na fakt, że neutrina są cząstkami bardzo powszechnymi, suma mas wszystkich neutrin jest w przybliżeniu równa masie wszystkich widzialnych gwiazd.

Pomimo takich sukcesów fizyków wiele pytań pozostaje nadal nierozwiązanych. Dlaczego neutrina są takie lekkie? Czy istnieją inne rodzaje neutrin? Dlaczego neutrina tak bardzo różnią się od innych cząstek elementarnych? Eksperymenty trwają i jest nadzieja, że ​​odkryją one nowe właściwości neutrin i tym samym przybliżą nas do zrozumienia historii, struktury i przyszłości Wszechświata.

Opracowano na podstawie materiałów ze strony nobelprize.org.

Literatura popularna i zasoby

Takaaki Kajita i Arthur B. McDonald

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2015 została przyznana za odkrycie oscylacji neutrin. Laureatami nagrody zostali naukowcy Arthur B. McDonald z Kanady i Takaaki Kajita z Japonii.

Za ważny wkład w eksperymenty, które wykazały, że neutrina mogą zmieniać stan. Ta metamorfoza wymaga, aby neutrina miały masę. Odkrycie naukowców zmieniło nasze rozumienie materii i może zdecydowanie zmienić nasze rozumienie Wszechświata, stwierdził Komitet Noblowski.

McDonald jest profesorem w California Institute of Technology (USA) i emerytowanym profesorem na Queen's University (Kanada). Takaaki Kaita kieruje Instytutem Badań nad Promieniami Kosmicznym i jest profesorem na Uniwersytecie Tokijskim.

W ubiegłym roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Isamu Akasaki (Japonia), Hiroshi Amano (Japonia) i Shuji Nakamura (USA) za wynalezienie nowego, energooszczędnego i przyjaznego dla środowiska źródła światła - niebieskiej diody elektroluminescencyjnej ( PROWADZONY). Wynalazek naukowców jest skuteczną alternatywą dla konwencjonalnych żarówek.

Najwięcej nagród z fizyki przyznano za badania nad cząstkami elementarnymi (34), fizyką jądrową (28), fizyką materii skondensowanej (28) i mechaniką kwantową (11) – podaje BBC. Najsłynniejszym laureatem Nagrody Nobla wszechczasów, dyscyplin i narodów był Albert Einstein. W 1921 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki – jak mówiono, za zasługi w dziedzinie fizyki teoretycznej, a w szczególności za odkrycie efektu fotoelektrycznego.

Należy dodać, że wszystkie te wstępne dowody na korzyść oscylacji neutrin uzyskano w „eksperymentach ze znikaniem”. Są to tego typu eksperymenty, podczas których mierzymy strumień, stwierdzamy, że jest słabszy niż oczekiwano i zgadujemy, że neutrina, których szukamy, zmieniły się w inną odmianę. Aby być bardziej przekonującym, trzeba zobaczyć ten sam proces bezpośrednio, poprzez „eksperyment z pojawieniem się” neutrin. Takie eksperymenty są również obecnie prowadzone, a ich wyniki są zgodne z eksperymentami wymierania. Przykładowo w CERN-ie znajduje się specjalna linia akceleratorów, która „wystrzeliwuje” potężną wiązkę neutrin mionowych w kierunku oddalonego o 732 km włoskiego laboratorium Gran Sasso. Detektor OPERA zainstalowany we Włoszech szuka neutrin taonowych w tym strumieniu. W ciągu pięciu lat działalności OPERA wyłapała już pięć neutrin taonowych, co ostatecznie potwierdza prawdziwość wcześniej odkrytych oscylacji.

Akt drugi: Anomalia słoneczna

Druga zagadka fizyki neutrin wymagająca rozwiązania dotyczyła neutrin słonecznych. Neutrina powstają w centrum Słońca podczas syntezy termojądrowej i towarzyszą reakcjom, które sprawiają, że Słońce świeci. Dzięki współczesnej astrofizyce wiemy dobrze, co powinno się dziać w centrum Słońca, dzięki czemu możemy obliczyć tempo produkcji neutrin w tym miejscu i ich przepływ docierający do Ziemi. Mierząc ten przepływ eksperymentalnie (ryc. 6), będziemy mogli po raz pierwszy zajrzeć bezpośrednio do środka Słońca i sprawdzić, jak dobrze rozumiemy jego budowę i działanie.

Eksperymenty mające na celu wykrycie neutrin słonecznych prowadzone są od lat sześćdziesiątych XX wieku; właśnie za te obserwacje przyznano część Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2002. Ponieważ energia neutrin słonecznych jest niewielka, rzędu MeV lub mniejsza, detektor neutrin nie jest w stanie określić ich kierunku, a jedynie rejestruje liczbę zdarzeń transformacji jądrowej spowodowanych przez neutrina. I tutaj również od razu pojawił się problem, który stopniowo narastał. Na przykład eksperyment Homestake, który działał przez około 25 lat, pokazał, że pomimo wahań rejestrowany w nim strumień był średnio trzykrotnie mniejszy niż przewidywany przez astrofizyków. Dane te zostały potwierdzone w latach 90. przez inne eksperymenty, w szczególności Gallex i SAGE.

Pewność, że detektor działa prawidłowo, była tak duża, że ​​wielu fizyków było skłonnych uwierzyć, że gdzieś astrofizyczne przewidywania teoretyczne zawiodły – procesy w centrum Słońca były zbyt złożone. Jednak astrofizycy udoskonalili model i nalegali na wiarygodność przewidywań. Zatem problem pozostał i wymagał wyjaśnienia.

Oczywiście i tutaj teoretycy od dawna zastanawiają się nad oscylacjami neutrin. Zakładano, że w drodze z wnętrza Słońca część neutrin elektronowych zamienia się w mion lub tau. A ponieważ eksperymenty takie jak Homestake i GALLEX, ze względu na swoją konstrukcję, wyłapują wyłącznie neutrina elektronowe, są one zaniżone. Co więcej, w latach 70. i 80. teoretycy przewidywali, że neutrina propagujące się wewnątrz Słońca powinny oscylować nieco inaczej niż w próżni (zjawisko to nazwano efektem Michejewa-Smirnowa-Wolfensteina), co również mogłoby pomóc w wyjaśnieniu anomalii słonecznej.

Aby rozwiązać problem neutrin słonecznych, należało zrobić pozornie prostą rzecz: zbudować detektor, który byłby w stanie wychwycić pełny strumień wszystkich typów neutrin, a także osobno strumień neutrin elektronowych. Będzie można wtedy mieć pewność, że neutrina wytwarzane we wnętrzu Słońca nie znikną, a po prostu zmienią swój rodzaj. Było to jednak problematyczne ze względu na niską energię neutrin: w końcu nie mogą one zamienić się w mion ani lepton tau. Oznacza to, że musimy ich szukać w inny sposób.

Detektor Super-Kamiokande próbował uporać się z tym problemem, wykorzystując elastyczne rozpraszanie neutrin na elektronach atomu i rejestrując odrzut, jaki otrzymuje elektron. Proces taki jest w zasadzie wrażliwy na neutrina wszystkich typów, ale ze względu na specyfikę oddziaływania słabego przeważający udział w nim mają neutrina elektronowe. Dlatego czułość na całkowity strumień neutrin okazała się słaba.

I tutaj inny detektor neutrin, SNO, powiedział decydujące słowo. W nim, w przeciwieństwie do Super-Kamiokande, użyto nie zwykłej, ale ciężkiej wody zawierającej deuter. Jądro deuteru, deuteron, jest słabo związanym układem protonu i neutronu. W wyniku uderzenia neutrina o energii kilku MeV deuteron może rozbić się na proton i neutron: \(\nu + d \to \nu + p + n\). Proces ten, wywoływany przez neutralną składową oddziaływania słabego (nośnikiem jest bozon Z), ma taką samą czułość na neutrina wszystkich trzech typów i jest łatwo wykrywany poprzez wychwyt neutronu przez jądra deuteru i emisję kwantu gamma. Ponadto SNO może oddzielnie wykrywać neutrina czysto elektronowe poprzez rozszczepienie deuteronu na dwa protony, \(\nu_e + d \to e + p + p\), co następuje z powodu naładowanego składnika słabych oddziaływań (nośnik to bozon W).

Współpraca SNO rozpoczęła zbieranie statystyk w 1998 r., a po zgromadzeniu wystarczającej ilości danych przedstawiła wyniki pomiarów całkowitego strumienia neutrin i jego składowej elektronowej w dwóch publikacjach, 2001 i 2002 (patrz: Pomiar szybkości ν mi +D→P+P+mi B I ). I jakoś wszystko nagle się ułożyło. Całkowity strumień neutrin faktycznie odpowiadał przewidywaniom modelu słonecznego. Część elektroniczna rzeczywiście stanowiła tylko jedną trzecią tego przepływu, co jest zgodne z licznymi wcześniejszymi eksperymentami poprzedniej generacji. Zatem neutrina słoneczne nigdzie nie zaginęły - po prostu urodziwszy się w centrum Słońca w postaci neutrin elektronowych, w drodze na Ziemię faktycznie zamieniły się w neutrina innego typu.

Akt trzeci, ciąg dalszy

Następnie, na przełomie wieków, przeprowadzono inne eksperymenty z neutrinami. I choć fizycy od dawna podejrzewali, że neutrina oscylują, to właśnie Super-Kamiokande i SNO przedstawiły niepodważalne argumenty – to ich zasługa naukowa. Po ich wynikach w fizyce neutrin nagle nastąpiło przejście fazowe: problemy, które dręczyły wszystkich, zniknęły, a oscylacje stały się faktem, przedmiotem badań eksperymentalnych, a nie tylko teoretycznych rozważań. Fizyka neutrin uległa gwałtownemu rozwojowi i jest obecnie jednym z najbardziej aktywnych obszarów fizyki cząstek elementarnych. Dokonują się tam regularnie nowe odkrycia, na całym świecie uruchamiane są nowe instalacje doświadczalne – detektory atmosferyczne, kosmiczne, reaktorowe, neutrina akceleratorowe – a tysiące teoretyków próbuje doszukać się w mierzonych parametrach neutrin wskazówek Nowej Fizyki.

Możliwe, że prędzej czy później w takich poszukiwaniach uda się znaleźć pewną teorię, która zastąpi Model Standardowy, połączy kilka obserwacji i pozwoli w naturalny sposób wyjaśnić masy i oscylacje neutrin, ciemną materię i pochodzenie asymetrii pomiędzy materią i antymaterią w naszym świecie oraz innymi tajemnicami. To, że sektor neutrin stał się kluczowym graczem w tych poszukiwaniach, jest w dużej mierze zasługą Super-Kamiokande i SNO.

Źródła:
1) Współpraca Super-Kamiokande. Dowody na oscylacje neutrin atmosferycznych // Fiz. Obrót silnika. Łotysz. V. 81. Opublikowano 24 sierpnia 1998.
2) Współpraca SNO. Pomiar szybkości ν mi +D→P+P+mi− Interakcje wyprodukowane przez 8 B Neutrina słoneczne w Obserwatorium Neutrinów Sudbury // Fiz. Obrót silnika. Łotysz. V. 87. Opublikowano 25 lipca 2001.
3) Współpraca SNO. Bezpośredni dowód na transformację smaku neutrin w wyniku interakcji prądu neutralnego w Obserwatorium Neutrino w Sudbury // Fiz. Obrót silnika. Łotysz. V. 89. Opublikowano 13 czerwca 2002.