Neutrino je elementarna čestica koja je vrlo slična elektronu, ali nema električni naboj. Ima vrlo malu masu, koja može biti čak i nula. Brzina neutrina takođe zavisi od mase. Razlika u vremenu dolaska čestice i svjetlosti je 0,0006% (± 0,0012%). 2011. godine, tokom eksperimenta OPERA, ustanovljeno je da brzina neutrina premašuje brzinu svjetlosti, ali nezavisno iskustvo to nije potvrdilo.
Neuhvatljiva čestica
Ovo je jedna od najčešćih čestica u svemiru. Budući da vrlo malo stupa u interakciju s materijom, nevjerovatno ga je teško otkriti. Elektroni i neutrini ne učestvuju u jakim nuklearnim interakcijama, ali podjednako učestvuju u slabim. Čestice sa ovim svojstvima nazivaju se leptoni. Pored elektrona (i njegove antičestice, pozitrona), nabijeni leptoni uključuju mion (200 masa elektrona), tau (3500 masa elektrona) i njihove antičestice. Zovu se tako: elektronski, mionski i tau-neutrini. Svaki od njih ima antimaterijalnu komponentu koja se zove antineutrino.
Muon i tau, poput elektrona, imaju čestice koje ih prate. To su mionski i tau neutrini. Tri vrste čestica se razlikuju jedna od druge. Na primjer, kada mionski neutrini stupe u interakciju sa metom, oni uvijek proizvode mione, nikada tau ili elektrone. U interakciji čestica, iako se elektroni i elektron-neutrini mogu stvoriti i uništiti, njihov zbir ostaje nepromijenjen. Ova činjenica dovodi do podjele leptona na tri tipa, od kojih svaki ima nabijeni lepton i prateći neutrino.
Za detekciju ove čestice potrebni su veoma veliki i izuzetno osetljivi detektori. Tipično, niskoenergetski neutrini će putovati mnogo svjetlosnih godina prije nego što stupe u interakciju s materijom. Posljedično, svi eksperimenti na zemlji s njima se oslanjaju na mjerenje njihove male frakcije u interakciji sa snimačima razumne veličine. Na primjer, u neutrinskoj opservatoriji Sudbury, koja sadrži 1000 tona teške vode, oko 1012 solarnih neutrina u sekundi prođe kroz detektor. I nađe se samo 30 dnevno.
Historija otkrića
Wolfgang Pauli je prvi put postulirao postojanje čestice 1930. U to vrijeme je nastao problem jer se činilo da energija i ugaoni moment nisu sačuvani u beta raspadu. Ali Pauli je primijetio da ako se emituje neutralna neutrina čestica koja nije u interakciji, tada će se poštovati zakon održanja energije. Italijanski fizičar Enrico Fermi razvio je teoriju beta raspada 1934. i dao joj ime.
Uprkos svim predviđanjima, 20 godina neutrina nije bilo moguće eksperimentalno otkriti zbog njegove slabe interakcije sa materijom. Pošto čestice nisu električnonaelektrisane, na njih ne utiču elektromagnetne sile, pa stoga ne izazivaju jonizaciju materije. Osim toga, oni reagiraju s materijom samo kroz slabe interakcije zanemarljive snage. Stoga su one najprodornije subatomske čestice, sposobne proći kroz ogroman broj atoma bez izazivanja bilo kakve reakcije. Samo 1 od 10 milijardi ovih čestica, putujući kroz materiju na udaljenosti koja je jednaka prečniku Zemlje, reaguje sa protonom ili neutronom.
Konačno, 1956. godine grupa američkih fizičara predvođena Frederickom Reinesom objavila je otkriće elektron-antineutrina. U njenim eksperimentima, antineutrini emitirani iz nuklearnog reaktora stupili su u interakciju s protonima i formirali neutrone i pozitrone. Jedinstveni (i rijetki) energetski potpisi ovih najnovijih nusproizvoda pružaju dokaz o postojanju čestice.
Otkriće nabijenih mionskih leptona postalo je polazna tačka za kasniju identifikaciju drugog tipa neutrina - miona. Njihova identifikacija je izvršena 1962. godine na osnovu rezultata eksperimenta u akceleratoru čestica. Visokoenergetski mionski neutrini nastali su raspadom pi-mezona i poslani do detektora na takav način da se mogu proučavati njihove reakcije s materijom. Iako su nereaktivne, kao i druge vrste ovih čestica, otkriveno je da u rijetkim prilikama kada reagiraju s protonima ili neutronima, mion-neutrini formiraju mione, ali nikada elektrone. Godine 1998. američki fizičari Leon Lederman, Melvin Schwartz i Jack Steinbergerdobio Nobelovu nagradu za fiziku za identifikaciju mionskog neutrina.
Sredinom 1970-ih, fizika neutrina je dopunjena drugom vrstom naelektrisanih leptona - tau. Ispostavilo se da su tau neutrino i tau antineutrino povezani sa ovim trećim nabijenim leptonom. Godine 2000. fizičari u Nacionalnoj akceleratorskoj laboratoriji. Enrico Fermi je objavio prve eksperimentalne dokaze o postojanju ove vrste čestica.
Masa
Sve vrste neutrina imaju masu koja je mnogo manja od mase njihovih naelektrisanih parnjaka. Na primjer, eksperimenti pokazuju da masa elektrona i neutrina mora biti manja od 0,002% mase elektrona i da zbir masa tri vrste mora biti manji od 0,48 eV. Dugi niz godina se činilo da je masa čestice nula, iako nije bilo uvjerljivih teorijskih dokaza zašto bi to bilo tako. Zatim, 2002. godine, Sudbury Neutrino Observatory pružio je prve direktne dokaze da elektron-neutrini emitirani nuklearnim reakcijama u jezgri Sunca mijenjaju tip dok putuju kroz njega. Takve "oscilacije" neutrina su moguće ako jedna ili više vrsta čestica imaju neku malu masu. Njihove studije interakcije kosmičkih zraka u Zemljinoj atmosferi takođe ukazuju na prisustvo mase, ali su potrebni dalji eksperimenti da bi se to preciznije odredilo.
Izvori
Prirodni izvori neutrina su radioaktivni raspad elemenata u utrobi Zemlje, pri čemuemituje se veliki tok niskoenergetskih elektrona-antineutrina. Supernove su takođe pretežno neutrinski fenomen, jer samo ove čestice mogu prodrijeti u supergusti materijal proizveden u zvijezdi koja kolabira; samo mali dio energije se pretvara u svjetlost. Proračuni pokazuju da je oko 2% Sunčeve energije energija neutrina proizvedenih u reakcijama termonuklearne fuzije. Vjerovatno je da se većina tamne materije u svemiru sastoji od neutrina proizvedenih tokom Velikog praska.
Problemi fizike
Polja vezana za neutrine i astrofiziku su raznolika i brzo se razvijaju. Trenutna pitanja koja privlače veliki broj eksperimentalnih i teorijskih napora su sljedeća:
- Koje su mase različitih neutrina?
- Kako oni utiču na kosmologiju Velikog praska?
- Da li osciliraju?
- Mogu li se neutrini jedne vrste transformirati u drugi dok putuju kroz materiju i prostor?
- Da li se neutrini fundamentalno razlikuju od njihovih antičestica?
- Kako se zvijezde kolabiraju i formiraju supernove?
- Koja je uloga neutrina u kosmologiji?
Jedan od dugotrajnih problema od posebnog interesa je takozvani problem solarnog neutrina. Ovaj naziv se odnosi na činjenicu da je tokom nekoliko zemaljskih eksperimenata provedenih u posljednjih 30 godina konstantno uočeno manje čestica nego što je potrebno za proizvodnju energije koju emituje sunce. Jedno od njegovih mogućih rješenja je oscilacija, odnosno transformacija elektronikeneutrina u mione ili tau dok putuju na Zemlju. Budući da je mnogo teže izmjeriti niskoenergetske mionske ili tau neutrine, ova vrsta transformacije mogla bi objasniti zašto ne opažamo tačan broj čestica na Zemlji.
Četvrta Nobelova nagrada
Nobelovu nagradu za fiziku 2015. dobili su Takaaki Kajita i Arthur McDonald za njihovo otkriće mase neutrina. Ovo je bila četvrta takva nagrada vezana za eksperimentalna mjerenja ovih čestica. Neki bi se mogli zapitati zašto nam je toliko stalo do nečega što jedva dolazi u interakciju sa običnom materijom.
Sama činjenica da možemo otkriti ove efemerne čestice je dokaz ljudske genijalnosti. Budući da su pravila kvantne mehanike vjerovatnoća, znamo da iako gotovo svi neutrini prolaze kroz Zemlju, neki od njih će stupiti u interakciju s njom. Detektor dovoljno velik da ovo otkrije.
Prvi takav uređaj izgrađen je šezdesetih godina duboko u rudniku u Južnoj Dakoti. Rudnik je napunjen sa 400 hiljada litara tečnosti za čišćenje. U prosjeku, jedna čestica neutrina svaki dan stupi u interakciju s atomom hlora, pretvarajući ga u argon. Nevjerovatno, Raymond Davis, koji je bio zadužen za detektor, smislio je način da otkrije ovih nekoliko atoma argona, a četiri decenije kasnije, 2002. godine, dobio je Nobelovu nagradu za ovaj nevjerovatan tehnički podvig.
Nova astronomija
Zato što neutrini djeluju tako slabo, mogu putovati na velike udaljenosti. Daju nam priliku da pogledamo mjesta koja inače nikada ne bismo vidjeli. Neutrini koje je Davis otkrio nastali su nuklearnim reakcijama koje su se odigrale u samom centru Sunca i uspjeli su pobjeći iz ovog nevjerovatno gustog i vrućeg mjesta samo zato što jedva stupaju u interakciju s drugom materijom. Moguće je čak otkriti i neutrino koji leti iz centra eksplodirajuće zvijezde na udaljenosti od stotinu hiljada svjetlosnih godina od Zemlje.
Pored toga, ove čestice omogućavaju posmatranje svemira na vrlo maloj skali, mnogo manjoj od onoga u šta Veliki hadronski sudarač u Ženevi, koji je otkrio Higsov bozon, može da se bavi. Iz tog razloga je Nobelov komitet odlučio dodijeliti Nobelovu nagradu za otkriće još jedne vrste neutrina.
Misteriozni nestali
Kada je Ray Davis posmatrao solarne neutrine, pronašao je samo trećinu očekivanog broja. Većina fizičara je vjerovala da je razlog za to loše poznavanje astrofizike Sunca: možda su modeli unutrašnjosti zvijezde precijenili broj neutrina proizvedenih u njoj. Ipak, tokom godina, čak i kako su se solarni modeli poboljšavali, nestašice su i dalje postojale. Fizičari su skrenuli pažnju na još jednu mogućnost: problem bi mogao biti povezan s našim razumijevanjem ovih čestica. Prema tadašnjoj teoriji, nisu imali masu. Ali neki fizičari su tvrdili da su čestice zapravo imale beskonačno male vrijednostimasa, a ta masa je bila razlog njihove nestašice.
Čestica s tri lica
Prema teoriji neutrina, u prirodi postoje tri različite vrste neutrina. Ako čestica ima masu, onda dok se kreće, može se mijenjati iz jedne vrste u drugu. Tri tipa - elektron, mion i tau - pri interakciji sa materijom mogu se pretvoriti u odgovarajuću nabijenu česticu (elektron, mion ili tau lepton). "Oscilacije" nastaju zbog kvantne mehanike. Tip neutrina nije konstantan. Vremenom se menja. Neutrino, koji je započeo svoje postojanje kao elektron, može se pretvoriti u mion, a zatim natrag. Dakle, čestica formirana u jezgru Sunca, na putu ka Zemlji, može periodično da se pretvori u mion-neutrino i obrnuto. Budući da je Dejvisov detektor mogao detektovati samo elektronske neutrine koji su bili sposobni da dovedu do nuklearne transmutacije hlora u argon, činilo se mogućim da su se nedostajući neutrini pretvorili u druge vrste. (Kako se ispostavilo, neutrini osciliraju unutar Sunca, a ne na putu ka Zemlji.)
kanadski eksperiment
Jedini način da se ovo testira je da se napravi detektor koji je radio za sva tri tipa neutrina. Od 1990-ih, Arthur McDonald sa Queen's Ontario univerziteta predvodi tim koji je to uradio u rudniku u Sudburyju, Ontario. Objekat je sadržavao tone teške vode pozajmljene od kanadske vlade. Teška voda je rijedak, ali prirodan oblik vode u kojem vodik, koji sadrži jedan proton,zamijenjen njegovim težim izotopom deuterijem, koji sadrži proton i neutron. Kanadska vlada je napravila zalihe teške vode jer se koristi kao rashladno sredstvo u nuklearnim reaktorima. Sve tri vrste neutrina mogle su uništiti deuterijum da bi formirale proton i neutron, a neutroni su zatim prebrojani. Detektor je registrovao oko tri puta veći broj čestica u odnosu na Dejvisa - upravo onoliko koliko su predviđali najbolji modeli Sunca. Ovo sugerira da bi elektron-neutrino mogao oscilirati u svoje druge vrste.
japanski eksperiment
Otprilike u isto vrijeme, Takaaki Kajita sa Univerziteta u Tokiju je radio još jedan izvanredan eksperiment. Detektor instaliran u rudniku u Japanu registrovao je neutrine koji dolaze ne iz utrobe Sunca, već iz gornje atmosfere. Kada se protoni kosmičkih zraka sudare sa atmosferom, nastaju pljuskovi drugih čestica, uključujući mionske neutrine. U rudniku su pretvorili jezgra vodonika u mione. Kajita detektor je mogao vidjeti čestice koje dolaze u dva smjera. Neki su pali odozgo, dolazeći iz atmosfere, dok su se drugi kretali odozdo. Broj čestica je bio različit, što je ukazivalo na njihovu različitu prirodu - bile su u različitim tačkama svojih ciklusa oscilovanja.
Revolucija u nauci
Sve je to egzotično i nevjerovatno, ali zašto oscilacije i mase neutrina privlače toliko pažnje? Razlog je jednostavan. U standardnom modelu fizike čestica razvijenom u poslednjih pedeset godina dvadesetog veka,koji je ispravno opisao sva druga opažanja u akceleratorima i drugim eksperimentima, neutrini su trebali biti bez mase. Otkriće mase neutrina sugerira da nešto nedostaje. Standardni model nije potpun. Elementi koji nedostaju tek treba da budu otkriveni, bilo putem Velikog hadronskog sudarača ili druge mašine koja tek treba da bude stvorena.
