Wielka mała cząstka
Ich nazwa to włoskie zdrobnienie słowa "neutron". Trop geograficzny nie jest tu przypadkiem, bowiem w proces ujawniania ich istnienia poważnie zamieszany był Włoch Enrico Fermi, jeden z najwybitniejszych fizyków w historii. Z czterech podstawowych sił we Wszechświecie neutrina reagują tylko na dwie - na grawitację i oddziaływania słabe, odpowiedzialne za radioaktywny rozpad atomów. Nie mając prawie żadnej masy, rozprzestrzeniają się w kosmosie niemal z prędkością bliską prędkości światła.
Neutrina w ogromnych ilościach powstały w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu. I tworzą się od tamtego czasu nieustannie - w jądrach gwiazd, w akceleratorach cząstek i reaktorach atomowych na Ziemi, podczas wybuchów supernowych i wskutek rozpadu radioaktywnych pierwiastków.
Fizycy, np. Karsten Heeger z Uniwersytetu Yale, szacują, że we Wszechświecie jest przeciętnie miliard razy więcej neutrin niż protonów.
Mimo swojej wszechobecności, neutrina w dużej mierze pozostają dla fizyków tajemnicą, ponieważ cząstki te są bardzo trudne do detekcji. Przepływają przez większość znanej nam materii, jakby jej nie było, albo jakby były fotonami światła, które przechodzą przez czystą szybę w oknie. W tej chwili przez każdy centymetr kwadratowy ciała każdego z nas przechodzi ok. 100 miliardów neutrin, choć nic nie czujemy.
"Zrobiłem straszną rzecz"
Pod koniec XIX wieku naukowcy pochylili się nad zjawiskiem znanym jako rozpad beta, w którym jądro atomowe spontanicznie emituje elektron.
Rozpad beta zdawał się naruszać dwa podstawowe prawa fizyczne: zachowania energii i zachowania pędu. Końcowa konfiguracja cząstek wydawała się mieć w nim nieco za mało energii. Dopiero w 1930 r. fizyk Wolfgang Pauli zaproponował teorię, w myśl której powstaje w tym procesie dodatkowa cząstka, niosąc ze sobą brakującą energię i pęd.
W ówczesnym liście Pauliego, adresowanym do "drogich radioaktywnych państwa", czytamy m.in.:
"Zrobiłem straszną rzecz. Postulowałem cząstkę, której nie da się wykryć".
Odnosił się do faktu, że wynikające z jego obliczeń hipotetyczne neutrino było tak ulotne, że ledwo wchodziło w interakcję z czymkolwiek i nie miało prawie żadnej masy.
List Pauliego zawierał odważną sugestię, że udało się wyjaśnić spektrum rozpadu beta, ratując przy okazji zasadę zachowania energii. Szerokie rozprzestrzenienie się energii cząsteczek beta z rozpadu jądrowego miałoby sens, argumentował uczony, gdyby oprócz elektronu i jądra istniała także trzecia cząstka. Ta trzecia cząstka niesie ze sobą wiązki energii, które również różnią się w szerokim zakresie, a suma energii tej cząstki, wyemitowanego elektronu i jądra odrywającego się od nich obu (zgodnie z zasadą zachowania pędu) sumuje się do jednej mającej sens wartości.
Cząstka-duch Pauliego nie może mieć żadnego ładunku elektrycznego, więc zaproponował on nazwanie jej początkowo "neutronem", co Enrico Fermi zmienił później na "neutrino" (2), aby odróżnić ją od neutronu (odkrytego przez Jamesa Chadwicka w 1932 r.). Pauli był zaniepokojony ideą niewykrywalnej cząsteczki. Pomysł szybko się jednak przyjął.
Oczywiście koncepcja istnienia niewykrywalnej cząsteczki jest czymś, co przeszkadzało fizykom, zwłaszcza eksperymentatorom. Od razu zaczęto grzebać w teorii Pauliego i Fermiego, aby sprawdzić, czy istnieje sposób na wykrycie neutrin.
Problem to niełatwy, ponieważ neutrina oddziałują wyjątkowo słabo z resztą znanych cząstek, jednak w końcu Hans Bethe oraz Rudolf Peierls zauważyli, że teoretycznie powinna być możliwa odwrotność rozpadu beta - czyli pochłanianie przez jądro atomowe zarówno neutrina, jak i elektronu. Prawdopodobieństwo, że tak się stanie, jest jednak niezwykle małe, a Peierls i Bethe obliczyli, iż neutrino może łatwo przeszyć całą kulę ziemską, nie wchodząc z niczym w interakcję.
Ponad ćwierć wieku później fizycy Clyde Cowan oraz Frederick Reines zbudowali detektor neutrin i umieścili go obok reaktora jądrowego w atomowej elektrowni Savannah River w Południowej Karolinie. Ich eksperymentowi udało się wyrwać kilka z setek bilionów neutrin emitowanych z reaktora, a obaj uczeni z dumą wysłali Pauliemu telegram, aby poinformować go o potwierdzeniu istnienia jego cząstki. W 1995 r. Reines dostał Nagrodę Nobla z fizyki. Cowan zmarł, zanim to się stało.
Od tamtych czasów fizyka neutrin przeszła długą drogę, w trakcie której sporo się działo. Ray Davis i Masatoshi Koshiba otrzymali w 2002 r. Nagrodę Nobla z fizyki za zbudowanie ulepszonych detektorów neutrin.
W przypadku Davisa był to 600-tonowy zbiornik przemysłowego płynu czyszczącego w kopalni, z którego co kilka miesięcy chemicznie oddzielał on garść atomów argonu powstałych w momencie, gdy neutrino zostało wchłonięte przez atom chloru w zbiorniku.
Detektor Koshiby to wciąż rozbudowywane i sławne na cały świat obserwatorium neutrin Kamiokande. Pierwsza jego wersja zawierała ok. 50 tys. ton wody. Odczyt zachodzi tam w czasie rzeczywistym, ponieważ neutrina uderzające w jądra wody wytwarzają małe błyski światła odbierane przez fotopowielacze otaczające zbiornik wody.
Ponad dekadę później (w 2015 r.) Takaaki Kajita i Art McDonald otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki za użycie detektora Kamiokande i podobny eksperyment w Sudbury w Ontario, aby wykazać, że neutrina, które występują w trzech różnych "zapachach", oscylują pomiędzy tymi wariantami. Odkrycie to było nad wyraz doniosłe, ponieważ wynika z niego niezbicie, że neutrina muszą jednak mieć masę. Aby zmienić "zapach", muszą doświadczać czasu, a jeśli coś doświadcza czasu, nie podróżuje z prędkością światła. Cząstki zaś, które nie poruszają się z prędkością światła, muszą mieć masę.
Jednocześnie odkrycia te stały się jednymi z najlepiej udokumentowanych przykładów "nowej fizyki", czyli zjawisk, których nie da się wytłumaczyć w ramach wciąż obowiązującego Modelu Standardowego. I to przede wszystkim doprowadziło do trwającego obecnie silnego wzrostu zainteresowania badaniami nad tymi tajemniczymi cząstkami.
Zgodnie z Modelem Standardowym, neutrina nie powinny mieć żadnej masy. Skoro okazało się, że jednak pewną mają, choć niewielką, to wciąż nie wiadomo, skąd ją mają. Pozostałe cząstki w Modelu Standardowym uzyskują swoją masę w interakcji z polem Higgsa. Im większy opór stawia ono cząstce, tym większa będzie jej masa. W przypadku neutrin tak się jednak nie dzieje. Zbadanie pochodzenia tej masy wymaga więc nowej fizyki, nowego sposobu myślenia.
Przede wszystkim neutrino nie ma jednej ustalonej masy (choć wiemy, że jest ona niezerowa), a zamiast tego składa się z kombinacji trzech możliwych mas. W dodatku naukowcy nie są pewni, jaka jest wartość tych trzech mas, każdej z osobna, i jaka jest ich hierarchia.
Normalna hierarchia dla cząstek to dwie masy lekkie i jedna cięższa, a odwrócona hierarchia - dwie masy ciężkie i jedna lżejsza. Eksperymenty naukowe ustaliły, że najcięższe z nich muszą mieć 0,0000059 masy elektronu.
Neutrina nieustannie wymykają się naukowcom. Słońce produkuje kolosalne liczby neutrin bombardujących Ziemię (3). W połowie XX wieku badacze zbudowali detektory do poszukiwania tych neutrin, ale ich eksperymenty wciąż wykazywały rozbieżności, wykrywając tylko około jednej trzeciej przewidywanych cząstek. Albo więc coś było nie tak z modelami Słońca opracowanymi przez astronomów, albo działo się coś dziwnego.
Fizycy w końcu zdali sobie sprawę, że neutrina mogą występować w trzech różnych "zapachach" lub rodzajach. Zwykłe neutrino nazywane jest neutrinem elektronowym, ale istnieją też dwa inne "zapachy": neutrino mionowe i neutrino taonowe.
Przechodząc przez odległość od Słońca do naszej planety, neutrina oscylują pomiędzy tymi trzema rodzajami, dlatego też w tych wczesnych eksperymentach - które zostały zaprojektowane do poszukiwania tylko jednego typu - brakowało dwóch trzecich ich całkowitej liczby.
Kiedy neutrino zderza się z atomem w zbudowanym przez nas detektorze, tworzy tylko odpowiedni rodzaj cząstki. Oznacza to, że neutrina elektronowe będą tworzyć jedynie elektrony, neutrina mionowe tylko miony itd. Zostało to potwierdzone w eksperymencie z lat 60. XX wieku, gdzie neutrina powstające wraz z taonami wytwarzały tylko taony, wykazując coś w rodzaju pamięci o miejscu ich urodzenia.
Istnieją trzy stany zapachowe neutrin:
νe - neutrino elektronowe,
νμ - neutrino mionowe,
ντ - neutrino taonowe.
Neutrina podczas propagacji w przestrzeni mogą zmieniać swój rodzaj ("zapach") - zjawisko to nazywane jest oscylacją neutrin.
Podróż w poprzek Japonii
Zdaniem niektórych uczonych, neutrina mogą pomóc odpowiedzieć na naprawdę wielkie pytanie: dlaczego w ogóle coś istnieje, a raczej - dlaczego istnieje raczej coś niż nic.
Kosmos jest wypełniony materią. Jej odpowiednik, antymateria, pozostaje znacznie mniej powszechny. Ale w początkowej fazie Wszechświata obie istniały w równej mierze. Ponieważ materia i cząstki antymaterii anihilują nawzajem, gdy się zetkną, to w efekcie "przy życiu" musiałby pozostać Wszechświat wypełniony jedynie energią. Aby uformował się w takiej postaci, w jakiej go znamy, coś musiało zakłócić równowagę. Naukowcy w wielu nowych eksperymentach sprawdzają, czy nie są za to odpowiedzialne właśnie neutrina.
Hipotetyczny stan równowagi materii i antymaterii prowadzący do Wszechświata pełnego jedynie promieniowania opisuje się jako symetrię CP. Obecnie uważa się, że w pierwszych momentach istnienia Wszechświata do jej łamania przyczyniały się nie tylko hadrony (np. protony i neutrony), ale również w istotnym stopniu neutrina wraz z antyneutrinami.
Aby sprawdzić, czy i jak neutrina naruszają CP, badacze podjęli ciekawy eksperyment znany jako T2K (Tokai-to-Kamioka). Cztery lata temu w akceleratorze J-PARC pod miastem Tokai na wschodzie Japonii emitowano neutrina wypuszczane pod ziemią, przez skały, w stronę Kamioki, która leży na zachodzie Japonii - ok. 300 km dalej. Tam z kolei, 1 km pod ziemią, znajduje się dziś detektor Super-Kamiokande. Częścią jego obecnej wersji jest ogromny zbiornik z wodą o średnicy 40 m i 40 m wysokości.
Dlaczego neutrinom kazano podróżować na tak długi dystans? W trakcie podróży mogą one oscylować, co oznacza, że zmieniają swoje "zapachy", stając się na przemian neutrinami elektronowymi, mionowymi lub taonowymi. To samo dotyczy antyneutrin. Wiązki T2K początkowo składały się z neutrin mionowych lub antyneutrin mionowych. Badacze policzyli, jak często cząstki przekształcały się w neutrina elektronowe lub antyneutrina elektronowe. Zebrane w ciągu prawie dekady dane sugerują, że neutrina oscylowały więcej niż oczekiwano, podczas gdy antyneutrina mniej niż oczekiwano - co stanowi oznakę naruszenia CP.
- To efekt mozolnie zbieranych przez lata danych z eksperymentów, dowodów na naruszenie CP w neutrinach - komentował te wyniki w mediach fizyk Jonathan Link z Virginia Tech w Blacksburgu.
Był Super - będzie Hiper
Japonia planuje obecnie budowę największego wykrywacza neutrin w historii - Hyper-Kamiokande, który ma pomieścić 260 tys. ton ultraczystej wody, czyli ponad pięciokrotnie więcej niż zawiera jej Super-Kamiokande (4). Nowy detektor powstanie wewnątrz gigantycznej jaskini, która zostanie wykopana obok kopalni Hida City w Kamioce. Fizycy mają nadzieję, że przyniesie przełomowe odkrycia dotyczące tych cząstek.
Ogromne rozmiary Hyper-Kamiokande (Hyper-K) umożliwią wykrycie niespotykanej dotąd liczby neutrin wytwarzanych przez różne źródła - w tym promienie kosmiczne, Słońce, supernowe i wiązki sztucznie wytwarzane przez akceleratory cząstek.
Oprócz wychwytywania neutrin, będzie się tam również monitorować wodę pod kątem możliwego spontanicznego rozpadu protonów w jądrach atomowych, co w przypadku obserwacji stanowiłoby rewolucyjne odkrycie.
Lokalizację w Kamioce wybrano kilkadziesiąt lat temu, ze względu na pozostałości górnictwa i wysoką jakość skał, a także obfite zaopatrzenie w słodką wodę. Podobnie jak w przypadku Super-K, zbiornik wody wewnątrz Hyper-K zostanie wyłożony czułymi detektorami światła zwanymi fotopowielaczami. Będą one przechwytywały słabe błyski emitowane w momencie zderzenia neutrina z atomem w wodzie, co spowoduje wystrzelenie naładowanej cząstki z dużą prędkością.
Hyper-Kamiokande stanie się jedną z trzech dużych instalacji służących wykrywaniu neutrin, jakie mają rozpocząć działalność w tej dekadzie. Dwa pozostałe to Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), który Chiny planują uruchomić w roku 2021, oraz finansowany przez wiele krajów eksperyment Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) o wartości 1,5 mld dolarów, który ma ruszyć w 2024 r., uzyskując do 2027 r. pełną operacyjność. Inne amerykańskie eksperymenty przeznaczone do odkrywania neutrinowych tajemnic to PROSPECT, w Oak Ridge National Laboratory w Tennessee, oraz Short-Baseline Neutrino Program w Fermilabie, w stanie Illinois.
W oczekiwaniu na debiut neutrin w zderzaczu
Eksperymenty z zastosowaniem akceleratorów z neutrinami mają na celu poszukiwanie oscylacji neutrin, poprzez wytwarzanie wiązki neutrin o jednym "zapachu" i mierzenie jej po przebyciu długiej drogi.
Wiązki neutrin są zazwyczaj produkowane poprzez wystrzeliwanie wiązki wysokoenergetycznych protonów. Oddziaływania proton-cel wytwarzają hadrony, takie jak piony i kaony, które są ogniskowane za pomocą magnetycznych rogów aluminiowych i kierowane do długich tuneli, w których przekształcają się w neutrina i inne cząstki. Aby uzyskać wiarygodny pomiar oscylacji neutrin, naukowcy pracujący nad tymi eksperymentami muszą oszacować liczbę neutrin w wiązce przed oscylacją i to, jak ta liczba zmienia się w zależności od energii cząstek.
Oszacowanie tego "strumienia neutrin" jest trudne, ponieważ neutrina oddziałują bardzo słabo z innymi cząstkami i nie można ich łatwo zmierzyć. Aby to obejść, badacze szacują zamiast tego liczbę hadronów. Ale pomiar liczby hadronów jest również trudny, ponieważ jest ich zbyt wiele, aby dało się je dokładnie zmierzyć.
Tu właśnie pojawiają się eksperymenty takie jak NA61/SHINE w Synchrotronie CERN. NA61/SHINE może odtwarzać oddziaływania proton-cel, które generują hadrony przekształcające się w neutrina. W ramach współpracy NA61/SHINE wcześniej mierzono wygenerowane w eksperymentach hadrony przy energii protonów 31 GeV/c (gdzie c jest prędkością światła), aby pomóc przewidzieć strumień neutrin w japońskim eksperymencie T2K. W ramach współpracy zebrano również dane na temat energii 60 i 120 GeV/c, które posłużą do przeprowadzenia eksperymentów MINERnA, NOnA i DUNE w Fermilabie, w USA.
- Wyniki te mają kluczowe znaczenie dla eksperymentów Fermilabu z neutrinami - oświadczyła w komunikacie prasowym Laura Fields, członkini zespołu NA61/SHINE i współprzewodnicząca MINERnA.
- Aby przewidzieć strumienie neutrin do tych eksperymentów, naukowcy potrzebują niezwykle szczegółowej symulacji całej linii wiązki i wszystkich interakcji, które w niej zachodzą. Chcąc przeprowadzić tę symulację, musimy znać prawdopodobieństwo wystąpienia każdego rodzaju oddziaływania, produkowane cząstki i ich właściwości. Tak więc pomiary oddziaływań, takie jak te najnowsze, będą istotne dla uczynienia tych symulacji znacznie dokładniejszymi.
Nigdy nie wykryto neutrina wyprodukowanego w zderzaczu cząstek, mimo że akceleratory wytwarzają je w ogromnych ilościach. Może się to teraz zmienić po zatwierdzeniu nowego detektora do eksperymentu FASER w CERN. Mały i niedrogi detektor, zwany FASERν, zostanie umieszczony w przedniej części głównego detektora eksperymentu FASER i może zapoczątkować nową erę w fizyce neutrin w zderzaczach cząstek.
Dlaczego nie wykryto dotąd neutrin w zderzeniach? Po pierwsze, neutrina wchodzą w bardzo słabe interakcje z inną materią. Po drugie, detektory zderzeniowe ich nie rejestrują.
Neutrina zderzeniowe o najwyższej energii, które chętniej wchodzą w interakcję z materiałem detektora, produkowane są głównie wzdłuż linii wiązki - linii przechodzącej przez wiązki cząstek w zderzaczu. Jednak typowe detektory zderzeniowe mają otwory wzdłuż linii wiązki, które przepuszczają wiązki, więc nie są w stanie wykryć tych neutrin.
FASER zostanie umieszczony wzdłuż linii wiązki Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), ok. 480 m od eksperymentu ATLAS, więc będzie idealnie usytuowany do wykrywania neutrin. FASERν (5) ma tylko 25 cm szerokości, 25 cm wysokości i 1,35 m długości, ale waży 1,2 tony. Najbardziej znane detektory neutrin są zazwyczaj znacznie większe, np. Super-Kamiokande czy detektor IceCube na Biegunie Południowym, który ma objętość 1 km3.
Po zbadaniu zdolności FASER do wykrywania neutrin i przeprowadzeniu wstępnych badań z wykorzystaniem detektorów pilotowych w 2018 r., zespół oszacował, że FASERv może wykrywać ponad 20 tys. neutrin naraz. Miałyby one średnią energię pomiędzy 600 GeV a 1 TeV, w zależności od rodzaju produkowanego neutrina. Detektor FASERv zostanie zainstalowany przed następnym uruchomieniem LHC, w 2021 r.
Inny planowany w CERN eksperyment - LEGEND-200, którego inaugurację zaplanowano na 2021 r. - poszukiwać będzie zjawiska nazwanego bezneutrinowym podwójnym rozpadem beta. Dwa neutrony z jądra atomu rozpadają się w nim jednocześnie na protony wypluwające elektron i neutrino, które styka się z drugim neutrinem i anihiluje. Gdyby taka reakcja istniała, udowodniono by, że neutrina są ich własną antycząsteczką, o czym będzie jeszcze mowa.
Zmierzyć im wreszcie masę
- To trochę szalone, że są one wszechobecne, a my nawet nie wiemy, ile ważą - zauważyła Deborah Harris, fizyk z Fermilabu i Uniwersytetu York w Toronto.
Fizycy od dawna starają się zważyć cząstkę-ducha. We wrześniu ub. roku, po osiemnastu latach planowania, budowy i kalibracji, autorzy eksperymentu Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) w południowo-zachodnich Niemczech ogłosili swoje pierwsze wyniki pomiarów. W komunikacie stwierdzono, że neutrino nie może ważyć więcej niż 1,1 elektronowolta (eV) lub około jednej pięćsetnej masy elektronu. Ten wstępny szacunek, pochodzący z danych zebranych w ciągu zaledwie miesiąca pracy, zmienia wyniki w porównaniu do poprzednich pomiarów przy użyciu podobnych technik, w których górna graniczna masa neutrina wynosiła 2 eV. W miarę gromadzenia nowych danych KATRIN (6) ma określić rzeczywistą masę cząstki, a nie podawać jedynie górną granicę.
Zgodnie z ostatnimi danymi dotyczącymi oscylacji neutrin (które ujawniają różnice pomiędzy stanami masowymi, a nie ich rzeczywistymi wartościami), jeżeli najlżejszy stan masy wynosi zero, to najcięższy musi wynosić co najmniej 0,0495 eV. Na podstawie doświadczeń oscylacji neutrin w eksperymencie Super-Kamiokande określono różnicę między "zapachami" neutrin na ok. 0,04 eV. Jest to więc dolne ograniczenie masy jednego z rodzajów ("zapachów") neutrin. Górną granicę oszacowano podczas badań kosmologicznych (np. promieniowanie tła, ucieczka galaktyk) na 0,28 eV.
Ostatnie dane kosmologiczne z satelity Planck sugerują, że suma trzech stanów masy neutrin nie może być większa niż 0,12 eV, a w sierpniu inna analiza obserwacji kosmologicznych wykazała, że najlżejsza masa musi być mniejsza niż 0,086 eV. Wszystkie te stany mieszczą się znacznie poniżej górnej granicy KATRIN, więc nie ma jeszcze sprzeczności pomiędzy tymi dwoma podejściami. Ale ponieważ KATRIN gromadzi więcej danych, mogą pojawić się rozbieżności. Eksperyment KATRIN waży neutrina przy użyciu trytu, ciężkiego izotopu wodoru. Kiedy tryt ulega rozpadowi beta, jego jądro emituje elektron i neutrino o smaku elektronowym. Mierząc energię najbardziej energochłonnych elektronów, fizycy mogą wydedukować energię - a więc i masę (a właściwie średnią ważoną z trzech mas składowych) - neutrina elektronowego.
Masa neutrin ma również znaczenie kosmiczne. Podczas Wielkiego Wybuchu narodziło się ich bowiem tak wiele, że zbiorowa grawitacja neutrin wpłynęła na to, jak cała materia we Wszechświecie zlepiła się w gwiazdy i galaktyki.
Jeśli KATRIN wykryje masę ok. 0,2 lub 0,3 eV, kosmolodzy będą mieli trudności z uzgodnieniem swoich obserwacji, uważa Marilena Loverde, kosmolog z Uniwersytetu Stony Brook. Jednym z możliwych wyjaśnień mogłoby być wówczas uwzględnienie jakiegoś nowego zjawiska, które powoduje zanikanie kosmologicznego wpływu masy neutrina w czasie. Być może np. neutrino rozpada się na jeszcze lżejsze, nieznane cząstki, których prędkość zbliżona do prędkości światła sprawia, że nie są one w stanie sklejać ze sobą materii. A może mechanizm, który nadaje masę neutrinom, zmienił się w historii kosmosu.
Jeśli natomiast masa neutrin jest zbliżona do tego, co przewidują obserwacje kosmologiczne, KATRIN nie będzie wystarczająco wrażliwa, aby ją zmierzyć. Może ona ważyć tylko neutrina do 0,2 eV. Jeżeli neutrina są lżejsze, fizycy będą potrzebowali bardziej czułych eksperymentów. Trzy potencjalnie bardziej wrażliwe w tej kwestii projekty to: Projekt 8, eksperyment ECHo z przechwytywaniem elektronów przy użyciu izotopu holmu 163Ho na Uniwersytecie w Heidelbergu oraz europejski eksperyment badający masę neutrin, HOLMES.
Fermiony zwykłe albo Majorany?
Aby wyjaśnić struktury, które widzimy we Wszechświecie, potrzebujemy ogromnej ilości ciemnej materii - około pięć razy więcej niż wynosi cała normalna materia, do której mamy dostęp. Zaś aby ustalić, jak zmieniało się tempo ekspansji Wszechświata w czasie, potrzebujemy tajemniczej formy energii właściwej dla samej przestrzeni, której jest dwa razy więcej (licząc energię) niż wszystkie inne formy razem wzięte - to ciemna energia.
Te zagadki, wraz ze wspominanym problemem antymaterii, są największymi problemami kosmologicznymi XXI wieku, a wykraczające poza Model Standardowy neutrino może je wyjaśnić.
Różnica masy pomiędzy elektronem, najlżejszą normalną cząstką Modelu Standardowego, a najcięższym z możliwych neutrin to więcej niż cztery miliony - różnica nawet większa niż ta między elektronem a górnym kwarkiem. Gdy mówimy o neutrinach, wówczas dziwaczności i anomalie się mnożą. Każde obserwowane przez nas neutrino jest lewoskrętne (czyli pęd i spin cząstki mają przeciwny zwrot). Z drugiej strony, każde antyneutrino jest prawoskrętne (pęd i spin cząstki mają ten sam zwrot).
W każdym innym istniejącym fermionie występuje symetria pomiędzy cząsteczkami i antycząsteczkami, w tym równa liczba typów lewo- i prawoskrętnych. W przypadku neutrina brakuje prawoskrętnego, typu zwykłej cząstki, i lewoskrętnego, typu antycząstki. Ta dziwna właściwość sugeruje, że neutrina są fermionami Majorany (a nie normalnymi Diraca), czyli zachowują się jak własne antycząstki.
Udowodnienie, że neutrina są fermionami Majorany, jest możliwe, jeśli uda się nam przeprowadzić i zaobserwować wspomniany podwójny bezneutrinowy rozpad beta - taki, jakiego poszukuje eksperyment LEGEND-200. W 1937 r. Giulio Racah i w 1938 r. Wendell H. Furry niezależnie od siebie zaproponowali istnienie podwójnego rozpadu beta bez emisji neutrin. W procesie tym dwa neutrony przemieniałyby się w dwa protony, z emisją dwóch elektronów, ale bez emisji żadnych neutrin. Proces ten mógłby jednak zachodzić wtedy, gdyby neutrina miały inne własności niż w Modelu Standardowym, gdyż istnienie procesu łamiącego zasadę zachowania liczby leptonowej jest przez ten model zakazane. Poza tym, że neutrina są własnymi antycząstkami, do zajścia takiego rozpadu potrzebne jest posiadanie przez nie masy, co już wiemy.
Obserwacja tego rodzaju rozpadu byłaby równoznaczna z odkryciem nowej cząstki elementarnej - cząstki Majorany. Stworzyłaby także możliwość pomiaru masy neutrin i określenia ich hierarchii. Odkrycie byłoby co najmniej tak doniosłe, jak odkrycie bozonu Higgsa i bardziej znaczące niż odkrycie mechanizmu oscylacji neutrin.
Tajemniczego rozpadu poszukuje w podziemnym laboratorium w detektorze GERDA (GERmanium Detector Array), w Gran Sasso we Włoszech, międzynarodowy zespół naukowców. Choć wciąż nie udało się zaobserwować pożądanego zjawiska, to na podstawie uzyskiwanych danych badacze są w stanie coraz bardziej ograniczać masę neutrina. Pozwala to m.in. na stopniowe wykluczanie modeli teoretycznych, przewidujących ewolucję Wszechświata związaną z określoną hierarchią mas neutrin.
Warto przy okazji wspomnieć o hipotezie tzw. ciężkich neutrin. Model leptogenezy postuluje łamanie symetrii CP w rozpadach ciężkich cząstek sprzęgających się do neutrin ("lekkich" neutrin). Mechanizm huśtawki dostarcza nam tychże ciężkich cząstek - ciężkich neutrin. Odkrycie łamania symetrii CP w oscylacjach lekkich neutrin to ważny argument na korzyść modelu leptogenezy z uwagi na ich związek poprzez mechanizm huśtawki z ciężkimi neutrinami. Ponadto istnienie ciężkich neutrin to "proste" rozszerzenie Modelu Standardowego. Ciężkie neutrina są też doskonałymi kandydatami na ciemną materię, jeśli tylko oczywiście istnieją.
Bardziej znaną alternatywą dla koncepcji ciężkich neutrin jest hipoteza istnienia neutrina sterylnego. Nazywa się tak hipotetyczną cząstkę elementarną mogącą tworzyć ciemną materię.
Czasem neutrino sterylne traktowane jest jako czwarta generacja neutrin (obok neutrina elektronowego, mionowego i taonowego). Jego charakterystyczną cechą jest to, że oddziałuje z materią tylko grawitacyjnie. Oznacza się je symbolem νs (7).
Oscylacje neutrin teoretycznie mogłyby zamieniać neutrina mionowe w sterylne, co powodowałoby spadek ich liczby w detektorze. Jest to szczególnie prawdopodobne po przejściu wiązki neutrin przez obszar o dużej gęstości materii, taki jak jądro Ziemi. Dlatego właśnie detektor IceCube na biegunie południowym (8) został użyty do obserwacji neutrin przychodzących z półkuli północnej, w zakresie energii od 320 GeV do 20 TeV - spodziewano się wyraźnego sygnału w przypadku istnienia neutrin sterylnych. Analiza danych z zaobserwowanych zdarzeń pozwoliła na wykluczenie istnienia neutrin sterylnych w dostępnym obszarze przestrzeni parametrów, na poziomie ufności 99%.
Niedawno naukowcy ze znacznie skromniejszego Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE), w Fermilabie (9), dostarczyli przekonujących dowodów na to, że wykryli neutrino sterylne. Znalezisko to potwierdza wcześniejszą anomalię widzianą w detektorze płynnego scyntylacyjnego neutrina (LSND), eksperymencie w Los Alamos National Laboratory w Nowym Meksyku.
- Byłoby to wielkie odkrycie, wykraczające poza Model Standardowy, wymagające nowych cząstek elementarnych i zupełnie nowych teorii fizycznych - tłumaczyła doniosłość wstępnych wyników w serwisie "Live Science" Kate Scholberg z Uniwersytetu Duke, fizyk specjalizująca się w fizyce cząstek elementarnych.
U zarania Wszechświata (10) znane nam neutrina - których, jak wspomnieliśmy, pojawiło się wtedy mnóstwo - doprowadziłyby do powstania gorącej ciemnej materii, poruszającej się szybko, nie pozwalając tym samym na stworzenie pewnych struktur we wczesnym Wszechświecie. Tak więc, chociaż neutrina mogą wyjaśniać niektóre z form ciemnej materii, to szacuje się, że stanowiłyby one najwyżej jej 1,5%. Pozostałe efekty zimnej ciemnej materii musiałyby pochodzić od nowego rodzaju cząsteczki - sterylnego neutrina.
Neutrino sterylne nazywa się tak, ponieważ w odróżnieniu od swoich - słabo ale jednak - oddziałujących z materią kolegów, w ogóle nie wchodzi z nią w interakcję, nawet w zakresie oddziaływań słabych. Bozon Z, który jest częściowo odpowiedzialny za słabą siłę jądrową, po utworzeniu w zderzeniu cząstek rozpada się z czasem na normalne neutrina. Nie rozpadnie się on jednak na sterylne neutrina.
Łącznie normalne neutrina wraz z ich sterylnymi odpowiednikami tłumaczyłyby całość ciemnej materii we Wszechświecie.
A mogą być jeszcze bardziej intrygujące
Jeśli myślicie, drodzy Czytelnicy, że to koniec zagadek neutronowych, to jesteście w błędzie. Do listy tajemnic należy dodać zarejestrowanie najpierw w latach 2013-2014, a potem jeszcze w 2017 r. przez detektor IceCube neutrin o ogromnej energii.
Nauka nie potrafi wskazać z całą pewnością procesu, który odpowiada za ich powstanie. Z drugiej strony Sheldon Glashow, laureat Nagrody Nobla z 1979 r., przewiduje, że zgodnie z Modelem Standardowym powinniśmy rejestrować jeszcze bardziej energetyczne neutrina, o energiach sięgających 6,4 PeV, powstające wskutek kolizji neutrin z elektronami. Dlaczego tak się nie dzieje?
Niektórzy fizycy uważają, że przy tak ogromnej energii neutrina charakteryzują się skrajnie krótką długością fali z nimi związaną, co oznaczałoby, że wchodzą w interakcję z kwantowymi "pikselami" czasoprzestrzeni, wytracając energię w czymś w rodzaju tarcia z ową podstawową tkanką Wszechświata. Z tych spekulacji przebija trop unifikacji teorii Einsteina i mechaniki kwantowej. I to neutrina nas do tego prowadzą.
W 2017 r. naukowcy zauważyli wysokoenergetyczne neutrino, przecinające lód Antarktydy. Prześledzili jego pochodzenie aż do miejsca, w którym się urodziło. Było to możliwe, ponieważ neutrina mogą pokonywać we Wszechświecie bardzo duże odległości po prostych liniach, nie zbaczając z kursu, bo nie oddziałują z materią lub oddziałują z nią bardzo słabo.
Kluczowe w namierzaniu źródła wysokoenergetycznego neutrina okazało się orbitalne obserwatorium GLAST (Fermi Gamma-ray Space Telescope), wyposażone w detektor promieniowania gamma. Zestawiając raporty IceCube z danymi zbieranymi przez GLAST, uczeni szybko powiązali nadpobudliwe neutrino z nagłym mignięciem promieni gamma w konstelacji Oriona, oddalonym od nas - wnioskując po przesunięciu ku czerwieni - o ok. 4 miliardy lat świetlnych. Wiele wskazuje na to, że turboneutrino IceCube-170922A, bo tak je oznaczono, zostało wyemitowane przez przedstawiciela słabo poznanej klasy obiektów, zwanych blazarami. Jest to rodzaj bardzo aktywnej galaktyki, zawierającej w swym jądrze nienasyconą supermasywną czarną dziurę oraz duże zasoby wpadającej doń materii. Członkowie ekip IceCube i GLAST są przekonani, że złapane neutrino mogło powstać w dysku akrecyjnym blazara TXS 0506+056, otaczającym czarną dziurę, po czym zostało wystrzelone w naszym kierunku jako pasażer dżetu materii i energii.
Naukowcy uważają, że dziwne cząstki mogą być kluczem do największych tajemnic Wszechświata - w tym do odpowiedzi na pytanie, dlaczego materia zwyciężyła nad antymaterią już po Wielkim Wybuchu. Aby tak się stało, trzeba je połączyć - podobnie jak we wspomnianych badaniach blazara - z badaniami w innych zakresach, w tym w spektrum elektromagnetycznym i za pomocą fal grawitacyjnych.
Wykorzystanie potencjału neutrin pozwoliłoby też zweryfikować wiele tez na temat genezy i wczesnego okresu istnienia całego Wszechświata. Jest spora szansa, że obok resztkowego promieniowania elektromagnetycznego współczesną przestrzeń przemierzają również reliktowe neutrina - pierwsi uciekinierzy z przedwiecznego piekła. Kosmologowie marzą o tym, aby w przyszłości stworzyć nową, neutrinową mapę niemowlęcego Wszechświata, pokonując obserwacyjną cezurę 380 tys. lat, która ogranicza nas przy badaniu CMB, czyli mikrofalowego promieniowania tła.
Co ważne, aby poznawać cechy "osobnicze" neutrin, nie musimy czekać, aż przylecą do nas ze Słońca czy odległego blazara. Można wytworzyć je tu, na Ziemi. W 2018 r. amerykański Departament Energii formalnie zatwierdził projekt modernizacji akceleratora PIP-II, w Fermilabie. Zapewni to zwiększoną moc wiązki w celu wygenerowania strumienia neutrin. Modernizacja stanowi integralną część wspomnianego eksperymentu DUNE, który wymaga ogromnych ilości neutrin do badania tajemniczej cząstki w najdrobniejszych szczegółach.
Czy fizycy przestawiają swoje zainteresowania na neutrina z powodu impasu i bezradności, panujących w głównym nurcie badań nad elementarnymi składnikami materii i Wszechświata?
Niewykluczone. Nie widząc rozwiązań zagadek, ani nawet perspektyw ich znalezienia, zmieniają ścieżkę poszukiwań. Jeśli neutrina mają doprowadzić do wyczekiwanych odpowiedzi, nie ma w tym niczego niewłaściwego, czy błędnego. Pytania są w końcu z grubsza te same.
Mirosław Usidus
Zobacz także:
Gdzie popełniliśmy błąd?
Człowiek chce wiedzieć wszystko
