Nositeľ Nobelovej ceny za fyziku plánuje zmerať hmotnosť neutrín. Teória oscilácií neutrín, za potvrdenie ktorej bola udelená Nobelova cena za fyziku, bola predložená v ZSSR Malá neutrálna častica
Fyzici, laureáti Nobelova cena 2015 objavil fenomén, nezlučiteľné so všeobecne akceptovaným Štandardný model elementárnych častíc. Nezávisle od seba to experimentálne potvrdili neutrína majú hmotnosť. Higgsov mechanizmus tvorby hmôt elementárnych častíc nedokáže vysvetliť tento jav. Podľa štandardného modelu by neutrína nemali mať žiadnu hmotnosť.
Vzniká veľa otázok a otvára sa široké pole pre nový výskum.
Tiež v 60. roky posledné storočie Bruno Pontecorvo, slávny taliansky a sovietsky(prisťahoval sa do ZSSR v roku 1950) fyzik, ktorý pracoval v Spoločný ústav pre jadrový výskum V Dubna navrhol, že neutrína majú hmotnosť, a navrhol myšlienku experimentu na testovanie tejto hypotézy. Dôkaz prítomnosti hmoty v neutrínach možno pozorovať pozorovaním ich oscilácií. Oscilácie sú opakujúce sa procesy v stave systému.
Pre neutrína je to tak opakujúca sa transformácia troch typov neutrín(elektrónové, miónové a tau neutrína) do seba. Z teórie vyplynulo, že trvanie periód oscilácií je určené rozdielom v kvadrátoch hmotností neutrín prechádzajúcich z jedného typu na druhý. Verilo sa, že elektrónové neutríno má najmenšiu hmotnosť, miónové neutríno o niečo viac a tau neutríno má ešte väčšiu hmotnosť. Pozorovaním oscilácií je možné odhadnúť rozdiel v štvorcoch hmotností a tým dokázať existenciu hmotností neutrín, ale v tomto experimente nie je možné odhadnúť hodnotu hmotností každého typu neutrín samostatne.
Nositeľ Nobelovej ceny Arthur MacDonaldštudoval tok slnečných neutrín na Sudbury Neutrino Observatory v Kanade. Neutrínové toky zo Slnka boli mnohokrát študované na rôznych podzemných observatóriách po celom svete a vždy sa ukázalo, že pozorovaný tok neutrín je trikrát menší, ako sa očakávalo. Očakávaný tok bol odhadnutý v súlade s výťažkom neutrín z termonukleárnych reakcií prebiehajúcich v slnečnom jadre. V dôsledku týchto reakcií vyteká zo Slnka prúd elektrónových neutrín. Práve tento typ neutrína boli detektory schopné odhaliť. Dlho sa predpokladalo, že na ceste zo Slnka sa neutrína môžu transformovať z elektrónu na iné typy. Arthur MacDonald bol schopný pozorovať toky všetkých troch typov neutrín a ukázať, že celkovo zodpovedali tomu, čo sa očakávalo. Ukázalo sa, že perióda oscilácií je kratšia ako čas, ktorý potrebuje tok neutrín na cestu zo Slnka na Zem a počas tejto doby sa veľké množstvo elektrónových neutrín stihne premeniť na mión a tau. Experimentálne bol teda objavený proces oscilácií a následne sa potvrdilo, že neutríno má hmotnosť.
Nositeľ Nobelovej ceny Takaaki Khajiit uskutočnili pozorovania vysokoenergetických neutrín na neutrínovom teleskope Super-Kamiokande. Vysokoenergetické neutrína vznikajú v zemskej atmosfére v dôsledku pôsobenia kozmického žiarenia. Experiment pozostával z porovnávania tokov miónových netrín prichádzajúcich k detektoru priamo z atmosféry s tokom neutrín z opačnej strany Zeme, ktoré prechádzajú cez celú hrúbku Zeme k detektoru. Ukázalo sa, že v druhom prúde sa niektoré miónové neutrína zmenili na elektróny. Nezávisle sa teda dokázalo, že v tokoch neutrín dochádza k osciláciám, a preto majú neutrína hmotnosť.
V skutočnosti sú samotné procesy aj ich pozorovania o mnoho rádov zložitejšie ako tie, ktoré sú opísané v tomto texte.
MOSKVA 6. októbra - RIA Novosti. Kanadský fyzik Arthur MacDonald, ktorý získal Nobelovu cenu za rok 2015 spolu s Japoncom Takaaki Kajitom za objav oscilácií neutrín, sníva o zmeraní presnej hmotnosti neutrín, čo by vedcom umožnilo odhaliť tajomstvo zrodu vesmíru, ktoré oznámil. na tlačovej konferencii v Štokholme.
„Áno, stále máme veľa otázok o tom, čo sú neutrína a ako ich premeny zapadajú do štandardného modelu fyziky. Zatiaľ nevieme, aká je hmotnosť neutrín, a teraz sa v našich laboratóriách vykonávajú experimenty Snažíme sa to vypočítať a pochopiť, či existujú aj iné typy týchto častíc,“ povedal vedec.
Nobelova cena za fyziku za rok 2015 udelená za oscilácie neutrínCenu udelili vedcom Arthurovi B. MacDonaldovi (Kanada) a Takaaki Kaitovi (Japonsko) za objav, ktorý by mohol rozhodujúcim spôsobom zmeniť chápanie vesmíru, uviedol vo vyhlásení Nobelov výbor.McDonald a Khajita získali v roku 2015 Nobelovu cenu za fyziku za objav v roku 1998 fenoménu neutrínových oscilácií – schopnosti týchto nepolapiteľných častíc „prepínať“ medzi tromi typmi: elektrónovými, miónovými a tauovými neutrínami.
Neutrína sú elektricky neutrálne elementárne častice, ktoré vznikajú v dôsledku rôznych typov jadrových reakcií, najmä v jadrových reaktoroch, alebo sa rodia na Slnku a dopadajú na Zem s kozmickým žiarením. Vyznačujú sa mimoriadne vysokou penetračnou schopnosťou. Neutríno môže preletieť stovkami metrov betónu a prekážku si „nevšimne“.
Schopnosť rôznych typov neutrín premeniť sa na seba môže existovať iba vtedy, ak má táto častica nenulovú hmotnosť. Odhady hmotnosti vesmíru, a teda predstavy o jeho budúcom osude, závisia od prítomnosti hmoty v neutrínach. Nenulová hmotnosť neutrín môže navyše vysvetliť skutočnosť, že vesmír pozostáva z hmoty a prakticky v ňom nie je žiadna antihmota, hoci v momente Veľkého tresku sa malo objaviť rovnaké množstvo oboch.
Objav Macdonalda a Khajity bol definitívne potvrdený až v lete 2015, keď fyzici z CERN-u zachytili piate neutríno tau v prúde miónových neutrín presúvajúcich sa zo Švajčiarska do Talianska, kde sa nachádza známy detektor OPERA, ktorý dal vzniknúť „superluminálnemu neutrínu“. “ senzácia v roku 2011, ktorá bola čoskoro vyvrátená.
Teraz nie je možné predpovedať, ako sa použijú výsledky neutrínových štúdií, hovoria odborníci. Tieto štúdie však už majú určité praktické výsledky alebo ich možno očakávať v blízkej budúcnosti.
Ako povedali ruskí vedci pre RIA Novosti v rámci „Science Monday“, pomocou neutrinoskopií Zeme, je možné mapovať horniny vo vnútri Zeme, študovať históriu sopečných erupcií a topiaceho sa ľadu v Antarktíde, ako aj monitorovať operáciu. jadrových elektrární a monitorovať testy jadrových zbraní.
Nobelova cena za rok 2015 bola udelená za „objav oscilácií neutrín, ktoré dokazujú, že neutrína majú hmotnosť“.
V roku 1998 Takaaki Kajita, vtedajší člen spolupráce Super-Kamiokande, predložil údaje preukazujúce zmiznutie atmosférických mu-neutrín, teda neutrín produkovaných kozmickým žiarením prechádzajúcim atmosférou, na ich ceste k detektoru. V roku 2001 Arthur B. McDonald, riaditeľ Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Collaboration, publikoval dôkazy o premene slnečných elektrónových neutrín na neutrína mu a tau. Tieto objavy mali veľký význam a znamenali prelom v časticovej fyzike. Oscilácie neutrín a vzájomne súvisiace otázky povahy neutrín, hmotnosti neutrín a možnosti narušenia symetrie nábojového pomeru leptónov sú dnes najdôležitejšie otázky kozmológie a fyziky elementárnych častíc.
Žijeme vo svete neutrín. Každú sekundu našim telom „pretekajú“ tisíce miliárd neutrín. Nie je možné ich vidieť ani cítiť. Neutrína sa rútia priestorom takmer rýchlosťou svetla a prakticky neinteragujú s hmotou. Vo vesmíre aj na Zemi je obrovské množstvo zdrojov neutrín. Niektoré neutrína sa zrodili v dôsledku Veľkého tresku. A teraz sú zdrojmi neutrín výbuchy supernov a rozpad superobrích hviezd, ako aj rádioaktívne reakcie v jadrových elektrárňach a procesy prirodzeného rádioaktívneho rozpadu v prírode. Neutrína sú teda druhé najpočetnejšie elementárne častice po fotónoch, časticiach svetla. Ale napriek tomu ich existencia nebola dlho určená.
Možnosť existencie neutrín navrhol rakúsky fyzik Wolfgang Pauli ako pokus vysvetliť premenu energie pri beta rozpade (druh rádioaktívneho rozpadu atómu s emisiou elektrónov). V decembri 1930 navrhol, aby časť energie odobrala elektricky neutrálna, slabo interagujúca častica s veľmi nízkou hmotnosťou (možno nehmotná). Pauli sám veril v existenciu takejto častice, no zároveň chápal, aké ťažké je detekovať časticu s takýmito parametrami pomocou metód experimentálnej fyziky. Napísal o tom: „Urobil som hroznú vec, predpokladal som existenciu častice, ktorú nebolo možné zistiť. Čoskoro, po objave v roku 1932 masívnej, silne interagujúcej častice podobnej protónu, ale iba neutrálnej (časť atómu je neutrón), taliansky fyzik Enrico Fermi navrhol, aby Pauli nazval nepolapiteľnú elementárnu časticu neutrínom.
Príležitosť odhaliť neutrína sa objavila až koncom 50-tych rokov, keď sa postavilo veľké množstvo jadrových elektrární a tok neutrín sa výrazne zvýšil. V roku 1956 F. Rhines (tiež neskôr laureát Nobelovej ceny z roku 1995) uskutočnil experiment na realizáciu myšlienky sovietskeho fyzika B.M. Pontecorvo o detekcii neutrín a antineutrín v jadrovom reaktore v Južnej Karolíne. V dôsledku toho poslal telegram Wolfgangovi Paulimu (len rok pred svojou smrťou), v ktorom ho informoval, že neutrína zanechali stopy v ich detektore. A už v roku 1957 B.M. Pontecorvo publikoval ďalšiu priekopnícku prácu o neutrínoch, v ktorej bol priekopníkom myšlienky neutrínových oscilácií.
Od 60. rokov vedci aktívne začali rozvíjať nový vedecký smer - neutrínovú astronómiu. Jednou z úloh bolo spočítať počet neutrín vytvorených v dôsledku jadrových reakcií na Slnku. Ale pokusy zaregistrovať odhadovaný počet neutrín na Zemi ukázali, že približne dve tretiny neutrín chýbali! Samozrejme, vo výpočtoch môžu byť chyby. Jedným z možných riešení však bolo, že niektoré neutrína zmenili svoj typ. V súlade so štandardným modelom, ktorý je v súčasnosti platný v časticovej fyzike (obrázok 1), existujú tri typy neutrín – elektrónové neutrína, mu-neutrína a tau neutrína.
Obrázok 1 – Štandardný model je teoretický konštrukt v časticovej fyzike, ktorý popisuje elektromagnetické, slabé a silné interakcie všetkých elementárnych častíc. Štandardný model nie je teóriou všetkého, pretože neopisuje temnú hmotu, temnú energiu a nezahŕňa gravitáciu. Obsahuje 6 leptónov (elektrón, mión, tau leptón, elektrónové neutríno, miónové neutríno a tau neutríno), 6 kvarkov (u, d, s, c, b, t) a 12 zodpovedajúcich antičastíc. (http://elementy.ru/LHC/HEP/SM)
Každému typu neutrína zodpovedá jeho nabitý partner – elektrón, a ďalšie dve ťažšie častice s kratšou životnosťou – mión a tau leptón. V dôsledku jadrových reakcií na Slnku sa rodia iba elektrónové neutrína a chýbajúce neutrína by sa dali nájsť, ak by sa elektrónové neutrína na ceste na Zem premenili na mu-neutrína a tau-neutrína.
Hľadanie neutrín hlboko pod zemou
Hľadanie neutrín sa vykonáva nepretržite, vo dne iv noci, v kolosálnych zariadeniach vybudovaných hlboko pod zemou, aby sa odstránil vonkajší hluk spôsobený kozmickým žiarením a spontánnymi rádioaktívnymi reakciami v prostredí. Je veľmi ťažké rozlíšiť signály niekoľkých skutočných slnečných neutrín od miliárd falošných.
Neutrónové observatórium Super-Kamiokande bolo postavené v roku 1996 pod horou Kamioka, 250 km severozápadne od Tokia. Ďalšie observatórium, Sudbury Neutrino Observatory (SNO), bolo postavené v roku 1999 v niklovej bani neďaleko Ontária.
Obrázok 2 – Super-Kamiokande je atmosférický detektor neutrín. Keď neutríno interaguje s vodou, vytvorí sa elektricky nabitá častica. To vedie k objaveniu sa žiarenia Cherenkov-Vavilov, ktoré zaznamenávajú detektory svetla. Tvar a intenzita spektra Cherenkov-Vavilovho žiarenia umožňuje určiť typ častice a odkiaľ pochádza.
Super-Kamiokande je obrovský detektor postavený v hĺbke 1000 metrov. Pozostáva z nádrže s rozmermi 40 krát 40 metrov, naplnenej 50 000 tonami vody. Voda v nádrži je taká čistá, že svetlo môže prejsť 70 metrov, kým sa jeho intenzita zníži na polovicu. V bežnom bazéne je táto vzdialenosť len pár metrov. Na bokoch nádrže, na jej vrchnej a spodnej strane, je umiestnených 11 000 svetelných detektorov, ktoré umožňujú zaregistrovať aj ten najmenší záblesk svetla vo vode. Veľký počet neutrín prechádza nádržou s vodou, ale len niekoľko z nich interaguje s atómami a/alebo elektrónmi za vzniku elektricky nabitých častíc. Mióny sa tvoria z mu-neutrín a elektróny z elektrónových neutrín. Okolo vytvorených nabitých častíc sa vytvárajú záblesky modrého svetla. Ide o takzvané Čerenkovovo-Vavilovovo žiarenie, ktoré vzniká, keď sa nabité častice pohybujú rýchlosťou presahujúcou rýchlosť svetla v danom médiu. A to nie je v rozpore s Einsteinovou teóriou, ktorá tvrdí, že nič sa nemôže pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla vo vákuu. Vo vode je rýchlosť svetla iba 70% rýchlosti svetla vo vákuu, a preto môže byť blokovaná rýchlosťou nabitej častice.
Pri prechode kozmického žiarenia vrstvami atmosféry sa rodí veľké množstvo mu-neutrín, ktoré potrebujú k detektoru prejsť len niekoľko desiatok kilometrov. Super-Kamiokande dokáže detekovať mu-neutrína prichádzajúce priamo z atmosféry, ako aj tie neutrína, ktoré vstupujú do detektora z opačnej strany, pričom prechádzajú celou hrúbkou zemegule. Očakávalo sa, že počet mu-neutrín detegovaných v oboch smeroch bude rovnaký, pretože hrúbka Zeme nepredstavuje pre neutrína žiadnu bariéru. Avšak počet neutrín zasahujúcich Super-Kamiokande priamo z atmosféry bol oveľa väčší. Počet elektrónových neutrín prichádzajúcich oboma smermi sa nelíšil. Ukazuje sa, že tá časť mu-neutrína, ktorá prešla dlhšou cestou cez hrúbku Zeme, sa s najväčšou pravdepodobnosťou nejako zmenila na tau-neutrino. Zaznamenať tieto premeny priamo na observatóriu Super-Kamiokande však nebolo možné.
Aby sme dostali konečnú odpoveď na otázku o možnosti neutrínových transformácií alebo neutrínových oscilácií, uskutočnil sa ďalší experiment v druhom neutrínovom observatóriu, Sudbury Neutrino Observatory (obrázok 3). Bola postavená 2000 metrov pod zemou a vybavená 9500 svetelnými detektormi. Observatórium je určené na detekciu slnečných neutrín, ktorých energia je výrazne nižšia ako energia generovaná vo vrstvách atmosféry. Nádrž bola naplnená nielen čistenou vodou, ale aj ťažkou vodou, v ktorej má každý atóm vodíka v molekule vody ďalší neutrón. Pravdepodobnosť interakcie neutrín s ťažkými atómami vodíka je teda oveľa vyššia. Prítomnosť ťažkých jadier navyše umožňuje neutrínam interagovať s inými jadrovými reakciami, a preto budú pozorované svetelné záblesky inej intenzity. Niektoré typy reakcií umožňujú odhaliť všetky typy neutrín, ale bohužiaľ neumožňujú presne rozlíšiť jeden typ od druhého.
Obrázok 3 - Sudbury Neutrino Observatory je solárny detektor neutrín. Reakcie medzi jadrami ťažkého vodíka a neutrínami umožňujú súčasne detekovať nielen elektrónové neutrína, ale aj všetky typy neutrín. (Obrázky 2 a 3 z webovej stránky Nobelovho výboru nobelprize.org a Švédskej akadémie vied kva.se)
Po začatí experimentu observatórium detegovalo 3 neutrína denne zo 60 miliárd neutrín prichádzajúcich na Zem zo Slnka na každý 1 cm2. A stále to bolo 3-krát menej ako vypočítaný počet elektrónových slnečných neutrín. Celkový počet všetkých typov neutrín zistených na observatóriu s vysokou presnosťou zodpovedal očakávanému počtu neutrín emitovaných Slnkom. Zovšeobecnenie experimentálnych výsledkov dvoch neutrínových observatórií, Pontecorvo navrhnutá teória o fundamentálnej možnosti neutrínových oscilácií umožnila dokázať existenciu neutrínových transformácií na ceste zo Slnka na Zem. V týchto dvoch observatóriách, Super-Kamiokande a Sudbury Neutrino Observatory, boli opísané výsledky prvýkrát získané a ich interpretácia bola navrhnutá v roku 2001. Aby sa konečne overila správnosť experimentov, o rok neskôr, v roku 2002, začal experiment KamLAND (Kamioka Liquid scintilator AntiNeutrino Detector), v ktorom bol ako zdroj neutrónov použitý reaktor. O niekoľko rokov neskôr, po nazhromaždení dostatočných štatistík, boli výsledky transformácie neutrín potvrdené s vysokou presnosťou.
Na vysvetlenie mechanizmu neutrínových transformácií alebo neutrínových oscilácií sa vedci obrátili na klasickú teóriu kvantovej mechaniky. Vplyv premeny elektrónových neutrín na mu- a tau-neutrína predpokladá z pohľadu kvantovej mechaniky, že neutrína majú hmotnosť, inak je tento proces nemožný ani teoreticky. V kvantovej mechanike častici určitej hmotnosti zodpovedá vlna určitej frekvencie. Neutrína sú superpozíciou vĺn, ktorým zodpovedajú neutrína rôznych typov s rôznou hmotnosťou. Keď sú vlny vo fáze, nie je možné rozlíšiť jeden typ neutrína od druhého. Ale počas významného času pohybu neutrín zo Slnka na Zem môže dôjsť k rozfázovaniu vĺn a potom je možná ich následná superpozícia iným spôsobom. Potom je možné rozlíšiť jeden typ neutrína od druhého. K takýmto zvláštnym zmenám dochádza v dôsledku skutočnosti, že rôzne typy neutrín majú rôznu hmotnosť, ale líšia sa len veľmi malým množstvom. Odhaduje sa, že hmotnosť neutrína je miliónkrát menšia ako hmotnosť elektrónu – to je zanedbateľné množstvo. Avšak vzhľadom na to, že neutríno je veľmi bežná častica, súčet hmotností všetkých neutrín sa približne rovná hmotnosti všetkých viditeľných hviezd.
Napriek takýmto úspechom fyzikov zostáva veľa otázok stále nevyriešených. Prečo sú neutrína také ľahké? Existujú aj iné typy neutrín? Prečo sú neutrína také odlišné od ostatných elementárnych častíc? Experimenty prebiehajú a existuje nádej, že odhalia nové vlastnosti neutrín a tým nás priblížia k pochopeniu histórie, štruktúry a budúcnosti vesmíru.
Pripravené z materiálov zo stránky nobelprize.org.
Populárna literatúra a zdroje
Takaaki Kajita a Arthur B. McDonald
Nobelova cena za fyziku za rok 2015 bola udelená za objav oscilácií neutrín. Laureátmi ceny sa stali vedci Arthur B. McDonald z Kanady a Takaaki Kajita z Japonska.
Za ich dôležité príspevky k experimentom, ktoré preukázali, že neutrína môžu meniť stav. Táto metamorfóza vyžaduje, aby neutrína mali hmotnosť. Objav vedcov zmenil naše chápanie hmoty a môže rozhodne zmeniť naše chápanie vesmíru, uviedol Nobelov výbor.
McDonald je profesor na California Institute of Technology (USA) a emeritný profesor na Queen's University (Kanada). Takaaki Kaita vedie Výskumný ústav kozmického žiarenia a je profesorom na Tokijskej univerzite.
Minulý rok bola Nobelova cena za fyziku udelená Isamu Akasaki (Japonsko), Hiroshi Amano (Japonsko) a Shuji Nakamura (USA) za vynález nového energeticky účinného a ekologického svetelného zdroja – diódy vyžarujúcej modré svetlo ( LED). Vynález vedcov je efektívnou alternatívou klasických žiaroviek.
Najväčší počet cien vo fyzike bol udelený za výskum elementárnych častíc (34), jadrovej fyziky (28), fyziky kondenzovaných látok (28) a kvantovej mechaniky (11), uvádza BBC. Najznámejším laureátom Nobelovej ceny všetkých čias, disciplín a národov bol Albert Einstein. V roku 1921 dostal Nobelovu cenu za fyziku – ako sa hovorilo, za zásluhy v oblasti teoretickej fyziky a najmä za objav fotoelektrického javu.
Treba dodať, že všetky tieto počiatočné dôkazy v prospech neutrínových oscilácií boli získané v „mizných experimentoch“. Toto sú typy experimentov, pri ktorých meriame tok, vidíme, že je slabší, ako sa očakávalo, a hádame, že neutrína, ktoré hľadáme, sa zmenili na inú odrodu. Aby ste boli presvedčivejší, musíte vidieť rovnaký proces priamo prostredníctvom „experimentu so vznikom“ neutrín. Takéto experimenty sa teraz tiež vykonávajú a ich výsledky sú v súlade s experimentmi so zánikom. Napríklad v CERN-e existuje špeciálna urýchľovacia linka, ktorá „vystreľuje“ silný lúč miónových neutrín smerom k talianskemu laboratóriu Gran Sasso, ktoré sa nachádza 732 km odtiaľto. Detektor OPERA inštalovaný v Taliansku hľadá tau neutrína v tomto prúde. Za päť rokov prevádzky OPERA zachytila už päť tau neutrín, takže to definitívne dokazuje reálnosť predtým objavených oscilácií.
Druhé dejstvo: Slnečná anomália
Druhá záhada neutrínovej fyziky, ktorá si vyžadovala rozlíšenie, sa týkala slnečných neutrín. Neutrína sa rodia v strede Slnka počas termonukleárnej fúzie, sprevádzajú reakcie, vďaka ktorým Slnko svieti. Vďaka modernej astrofyzike dobre vieme, čo by sa malo diať v strede Slnka, čo znamená, že vieme vypočítať rýchlosť tamojšej produkcie neutrín a ich prúdenie na Zem. Experimentálnym meraním tohto prúdenia (obr. 6) sa budeme môcť prvýkrát pozrieť priamo do stredu Slnka a skontrolovať, ako dobre rozumieme jeho štruktúre a fungovaniu.
Experimenty na detekciu slnečných neutrín sa uskutočňovali od 60. rokov 20. storočia; časť Nobelovej ceny za fyziku za rok 2002 išla práve za tieto pozorovania. Keďže energia slnečných neutrín je malá, rádovo MeV alebo menej, neutrínový detektor nedokáže určiť ich smer, ale zaznamená len počet jadrových transformačných udalostí spôsobených neutrínami. A aj tu hneď nastal a postupne silnel problém. Napríklad experiment Homestake, ktorý fungoval približne 25 rokov, ukázal, že napriek výkyvom bol zaznamenaný tok v priemere trikrát menší, ako predpovedali astrofyzici. Tieto údaje boli potvrdené v 90. rokoch ďalšími experimentmi, najmä Gallex a SAGE.
Dôvera, že detektor funguje správne, bola taká veľká, že mnohí fyzici sa prikláňali k názoru, že astrofyzikálne teoretické predpovede niekde zlyhali – procesy boli príliš zložité v strede Slnka. Astrofyzici však model spresnili a trvali na spoľahlivosti predpovedí. Problém teda pretrvával a vyžadoval si vysvetlenie.
Samozrejme, aj tu sa teoretici dlho zamýšľali nad osciláciami neutrín. Predpokladalo sa, že na ceste zo slnečného vnútra sa niektoré elektrónové neutrína premenia na mión alebo tau. A keďže experimenty ako Homestake a GALLEX vďaka svojmu dizajnu zachytávajú výlučne elektrónové neutrína, sú podhodnotené. Navyše v 70-80 rokoch teoretici predpovedali, že neutrína šíriace sa vo vnútri Slnka by mali oscilovať trochu inak ako vo vákuu (tento jav sa nazýval Mikheev-Smirnov-Wolfenstein efekt), čo by tiež mohlo pomôcť vysvetliť slnečnú anomáliu.
Na vyriešenie problému slnečných neutrín bolo potrebné urobiť zdanlivo jednoduchú vec: postaviť detektor, ktorý dokáže zachytiť plný tok všetkých typov neutrín, ako aj samostatne tok elektrónových neutrín. Potom bude možné zabezpečiť, aby neutrína produkované vo vnútri Slnka nezmizli, ale jednoducho zmenili svoj typ. Ale kvôli nízkej energii neutrín to bolo problematické: napokon sa nemôžu zmeniť na mión alebo tau leptón. To znamená, že ich musíme hľadať iným spôsobom.
Detektor Super-Kamiokande sa pokúsil vyrovnať sa s týmto problémom pomocou elastického rozptylu neutrín na elektrónoch atómu a zaznamenaním spätného rázu, ktorý elektrón prijíma. Takýto proces je v zásade citlivý na neutrína všetkých typov, ale kvôli zvláštnostiam slabej interakcie k nemu najviac prispievajú elektrónové neutrína. Preto sa citlivosť na celkový tok neutrín ukázala ako slabá.
A tu povedal rozhodujúce slovo ďalší detektor neutrín, SNO. V ňom na rozdiel od Super-Kamiokande použil nie obyčajnú, ale ťažkú vodu s obsahom deutéria. Jadro deutéria, deuterón, je slabo viazaný systém protónu a neutrónu. Od dopadu neutrína s energiou niekoľkých MeV sa deuterón môže rozpadnúť na protón a neutrón: \(\nu + d \to \nu + p + n\). Tento proces, spôsobený neutrálnou zložkou slabej interakcie (nosičom je Z-bozón), má rovnakú citlivosť na neutrína všetkých troch typov a je ľahko detekovateľný záchytom neutrónu jadrami deutéria a emisiou gama kvanta. Okrem toho SNO dokáže samostatne detegovať čisto elektrónové neutrína štiepením deuterónu na dva protóny, \(\nu_e + d \to e + p + p\), ku ktorému dochádza v dôsledku nabitej zložky slabých interakcií (nosič je W bozón).
Spolupráca SNO začala zbierať štatistiky v roku 1998 a keď sa nazhromaždilo dostatok údajov, prezentovala výsledky merania celkového toku neutrín a jeho elektrónovej zložky v dvoch publikáciách, 2001 a 2002 (pozri: Meranie rýchlosti ν e +d→p+p+e B A). A akosi zrazu všetko do seba zapadlo. Celkový tok neutrín sa skutočne zhodoval s tým, čo solárny model predpovedal. Elektronická časť bola skutočne len tretinou tohto toku, v súlade s mnohými predchádzajúcimi experimentmi predchádzajúcej generácie. Slnečné neutrína sa teda nikde nestratili – jednoducho tým, že sa zrodili v strede Slnka vo forme elektrónových neutrín, v skutočnosti sa na ceste na Zem zmenili na neutrína iného typu.
Tretie dejstvo, pokračovanie
Potom, na prelome storočia, sa uskutočnili ďalšie experimenty s neutrínami. A hoci fyzici už dlho tušili, že neutrína oscilujú, boli to Super-Kamiokande a SNO, ktorí predložili nevyvrátiteľné argumenty – to je ich vedecká zásluha. Po ich výsledkoch zrazu vo fyzike neutrín nastal fázový prechod: problémy, ktoré trápili každého, zmizli a oscilácie sa stali skutočnosťou, predmetom experimentálneho výskumu, a nielen teoretického uvažovania. Neutrínová fyzika prešla explozívnym rastom a teraz je jednou z najaktívnejších oblastí časticovej fyziky. Pravidelne sa tam objavujú nové objavy, po celom svete sa spúšťajú nové experimentálne inštalácie – detektory atmosférických, vesmírnych, reaktorových, urýchľovacích neutrín – a tisíce teoretikov sa snažia nájsť v nameraných parametroch neutrín náznaky Novej fyziky.
Je možné, že skôr či neskôr sa pri takomto hľadaní podarí nájsť určitú teóriu, ktorá nahradí Štandardný model, spojí niekoľko pozorovaní a umožní nám prirodzene vysvetliť hmotnosti a oscilácie neutrín, temnú hmotu a pôvod. o asymetrii medzi hmotou a antihmotou v našom svete a iných záhadách. To, že sa sektor neutrín stal kľúčovým hráčom v tomto hľadaní, je do značnej miery spôsobené Super-Kamiokande a SNO.
Zdroje:
1) Super-Kamiokande Collaboration. Dôkazy o oscilácii atmosférických neutrín // Phys. Rev. Lett. V. 81. Uverejnené 24. augusta 1998.
2) Spolupráca SNO. Meranie sadzby ν e +d→p+p+e− Interakcie vyrobené 8 B Slnečné neutrína v Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. V. 87. Uverejnené 25. júla 2001.
3) Spolupráca SNO. Priamy dôkaz transformácie neutrínovej chuti z interakcií neutrálneho prúdu v Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. V. 89. Uverejnené 13.6.2002.