Neutrinas yra elementarioji dalelė, labai panaši į elektroną, bet neturinti elektros krūvio. Jis turi labai mažą masę, kuri gali būti net lygi nuliui. Nuo masės priklauso ir neutrino greitis. Dalelės ir šviesos atvykimo laiko skirtumas yra 0,0006% (± 0,0012%). 2011 m. OPERA eksperimento metu buvo nustatyta, kad neutrinų greitis viršija šviesos greitį, tačiau nepriklausoma patirtis to nepatvirtino.
Nepagaunama dalelė
Tai viena iš labiausiai paplitusių dalelių visatoje. Kadangi jis labai mažai sąveikauja su medžiaga, jį aptikti yra nepaprastai sunku. Elektronai ir neutrinai nedalyvauja stiprioje branduolinėje sąveikoje, bet lygiai taip pat dalyvauja silpnose. Šias savybes turinčios dalelės vadinamos leptonais. Be elektrono (ir jo antidalelės pozitrono), įkrautiems leptonams priklauso miuonas (200 elektronų masių), tau (3500 elektronų masių) ir jų antidalelės. Jie vadinami taip: elektronų, miuonų ir tau-neutrinai. Kiekvienas iš jų turi antimedžiaginį komponentą, vadinamą antineutrinu.
Muonas ir tau, kaip ir elektronas, turi juos lydinčių dalelių. Tai miuono ir tau neutrinai. Trys dalelių tipai skiriasi viena nuo kitos. Pavyzdžiui, kai miuonų neutrinai sąveikauja su taikiniu, jie visada gamina miuonus, o ne tau ar elektronus. Dalelių sąveikoje, nors elektronai ir elektronai-neutrinai gali susidaryti ir sunaikinti, jų suma išlieka nepakitusi. Dėl šio fakto leptonai skirstomi į tris tipus, kurių kiekvienas turi įkrautą leptoną ir jį lydintį neutriną.
Šiai dalelei aptikti reikalingi labai dideli ir ypač jautrūs detektoriai. Paprastai mažos energijos neutrinai nukeliaus daug šviesmečių, kol sąveikauja su medžiaga. Todėl visi antžeminiai eksperimentai su jais priklauso nuo mažos jų dalies, sąveikaujančios su pagrįsto dydžio įrašymo įrenginiais, matavimu. Pavyzdžiui, Sudbury Neutrino observatorijoje, kurioje yra 1000 tonų sunkaus vandens, per detektorių praeina apie 1012 saulės neutrinų per sekundę. Ir randama tik 30 per dieną.
Atradimų istorija
Wolfgangas Pauli pirmą kartą postulavo apie dalelės egzistavimą 1930 m. Tuo metu iškilo problema, nes atrodė, kad energija ir kampinis impulsas neišsaugomi beta skilimo metu. Tačiau Pauli pažymėjo, kad jei išspinduliuojama nesąveikaujanti neutrali neutrino dalelė, bus laikomasi energijos tvermės dėsnio. Italų fizikas Enrico Fermi 1934 m. sukūrė beta skilimo teoriją ir suteikė dalelei pavadinimą.
Nepaisant visų prognozių, 20 metų neutrinų nebuvo galima aptikti eksperimentiškai dėl silpnos jų sąveikos su medžiaga. Kadangi dalelės nėra elektrinėsįkrauti, jų neveikia elektromagnetinės jėgos, todėl jie nesukelia medžiagos jonizacijos. Be to, jie reaguoja su medžiaga tik per silpną nereikšmingo stiprumo sąveiką. Todėl jos yra labiausiai prasiskverbiančios subatominės dalelės, galinčios praeiti per daugybę atomų nesukeldamos jokios reakcijos. Tik 1 iš 10 milijardų šių dalelių, keliaujančių per medžiagą atstumu, lygiu Žemės skersmeniui, reaguoja su protonu arba neutronu.
Galiausiai, 1956 m., Fredericko Reineso vadovaujama amerikiečių fizikų grupė paskelbė atradusi elektroninį antineutriną. Jos eksperimentuose iš branduolinio reaktoriaus skleidžiami antineutrinai sąveikavo su protonais, sudarydami neutronus ir pozitronus. Unikalios (ir retos) šių naujausių šalutinių produktų energetinės savybės įrodo, kad dalelė egzistuoja.
Įkrautų miuonų leptonų atradimas tapo atspirties tašku vėliau identifikuojant antrąjį neutrinų tipą – miuoną. Jų identifikavimas buvo atliktas 1962 m., remiantis dalelių greitintuvo eksperimento rezultatais. Didelės energijos miuoniniai neutrinai susidarė irstant pi-mezonams ir buvo išsiųsti į detektorių taip, kad būtų galima ištirti jų reakcijas su medžiaga. Nors jie yra nereaktyvūs, kaip ir kitų tipų šių dalelių, buvo nustatyta, kad retais atvejais, kai jie reaguoja su protonais ar neutronais, miuonai-neutrinai sudaro miuonus, bet niekada elektronus. 1998 m. amerikiečių fizikai Leonas Ledermanas, Melvinas Schwartzas ir Jackas Steinbergerisgavo Nobelio fizikos premiją už miuono-neutrino identifikavimą.
Aštuntojo dešimtmečio viduryje neutrinų fizika buvo papildyta kito tipo įkrautais leptonais – tau. Tau neutrinas ir tau antineutrinas pasirodė susiję su šiuo trečiuoju įkrautu leptonu. 2000 m. Nacionalinės greitintuvo laboratorijos fizikai. Enrico Fermi pranešė apie pirmuosius eksperimentinius šio tipo dalelių egzistavimo įrodymus.
Mišios
Visų tipų neutrinų masė yra daug mažesnė nei jų įkrautų analogų. Pavyzdžiui, eksperimentai rodo, kad elektronų-neutrino masė turi būti mažesnė nei 0,002% elektronų masės, o trijų rūšių masių suma turi būti mažesnė nei 0,48 eV. Daugelį metų atrodė, kad dalelės masė lygi nuliui, nors nebuvo įtikinamų teorinių įrodymų, kodėl taip turėtų būti. Tada, 2002 m., Sudbury Neutrino observatorija pateikė pirmuosius tiesioginius įrodymus, kad elektronų neutrinai, išskiriami dėl branduolinių reakcijų Saulės šerdyje, keičiasi, kai jie keliauja per ją. Tokie neutrinų „svyravimai“galimi, jei vienos ar kelių tipų dalelės turi mažą masę. Jų atlikti kosminių spindulių sąveikos Žemės atmosferoje tyrimai taip pat rodo masės buvimą, tačiau norint ją tiksliau nustatyti, reikia atlikti tolesnius eksperimentus.
Š altiniai
Natūralūs neutrinų š altiniai yra radioaktyvus elementų skilimas Žemės žarnyne, kurio metuišspinduliuojamas didelis mažos energijos elektronų-antineutrinų srautas. Supernovos taip pat yra daugiausia neutrinų reiškinys, nes tik šios dalelės gali prasiskverbti į itin tankią medžiagą, susidarančią griūvantinėje žvaigždėje; tik maža dalis energijos paverčiama šviesa. Skaičiavimai rodo, kad apie 2 % Saulės energijos sudaro termobranduolinės sintezės reakcijose susidarančių neutrinų energija. Tikėtina, kad didžiąją dalį tamsiosios medžiagos visatoje sudaro neutrinai, susidarę Didžiojo sprogimo metu.
Fizikos problemos
Su neutrinais ir astrofizika susijusios sritys yra įvairios ir sparčiai besivystančios. Dabartiniai klausimai, pritraukiantys daug eksperimentinių ir teorinių pastangų, yra šie:
- Kokios yra skirtingų neutrinų masės?
- Kaip jie veikia Didžiojo sprogimo kosmologiją?
- Ar jie svyruoja?
- Ar vieno tipo neutrinai gali virsti kitais, kai keliauja per materiją ir erdvę?
- Ar neutrinai iš esmės skiriasi nuo jų antidalelių?
- Kaip žlunga žvaigždės ir susidaro supernovos?
- Koks neutrinų vaidmuo kosmologijoje?
Viena iš ilgalaikių ypač dominančių problemų yra vadinamoji saulės neutrinų problema. Šis pavadinimas reiškia faktą, kad per kelis antžeminius eksperimentus, atliktus per pastaruosius 30 metų, nuolat buvo pastebėta mažiau dalelių, nei reikia saulės skleidžiamai energijai gaminti. Vienas iš galimų jos sprendimų yra osciliacija, t.y., elektroninės transformacijosneutrinai į miuonus arba tau keliaujant į Žemę. Kadangi daug sunkiau išmatuoti mažos energijos miuonus arba tau neutrinus, tokia transformacija gali paaiškinti, kodėl Žemėje nepastebime tinkamo dalelių skaičiaus.
Ketvirtoji Nobelio premija
2015 m. Nobelio fizikos premija buvo skirta Takaaki Kajita ir Arthur McDonald už neutrino masės atradimą. Tai buvo ketvirtas toks apdovanojimas, susijęs su eksperimentiniais šių dalelių matavimais. Kai kam gali kilti klausimas, kodėl mums turėtų taip rūpėti kažkas, kas vos sąveikauja su įprasta medžiaga.
Pats faktas, kad galime aptikti šias trumpalaikes daleles, liudija žmogaus išradingumą. Kadangi kvantinės mechanikos taisyklės yra tikimybinės, žinome, kad nors beveik visi neutrinai praeina per Žemę, kai kurie iš jų sąveikaus su ja. Pakankamai didelis detektorius, kad tai aptiktų.
Pirmasis toks įrenginys buvo pastatytas šeštajame dešimtmetyje giliai kasykloje Pietų Dakotoje. Kasykla buvo pripildyta 400 tūkstančių litrų valymo skysčio. Vidutiniškai viena neutrino dalelė kasdien sąveikauja su chloro atomu, paversdama jį argonu. Neįtikėtina, bet Raymondas Davisas, kuris buvo atsakingas už detektorių, sugalvojo būdą aptikti šiuos kelis argono atomus, o po keturių dešimtmečių, 2002 m., už šį nuostabų techninį žygdarbį jam buvo suteikta Nobelio premija.
Nauja astronomija
Neutrinai taip silpnai sąveikauja, todėl gali nukeliauti didelius atstumus. Jie suteikia mums galimybę pažvelgti į vietas, kurių kitu atveju niekada nepamatytume. Daviso atrasti neutrinai atsirado dėl branduolinių reakcijų, vykusių pačiame Saulės centre, ir sugebėjo ištrūkti iš šios neįtikėtinai tankios ir karštos vietos tik todėl, kad beveik nesąveikauja su kita medžiaga. Netgi įmanoma aptikti neutriną, skrendantį iš sprogstančios žvaigždės centro per šimtą tūkstančių šviesmečių nuo Žemės.
Be to, šios dalelės leidžia stebėti Visatą labai mažu mastu, daug mažesniu, nei gali pažvelgti Didysis hadronų greitintuvas Ženevoje, atradęs Higso bozoną. Būtent dėl šios priežasties Nobelio komitetas nusprendė skirti Nobelio premiją už dar vienos rūšies neutrinų atradimą.
Paslaptinga dingusioji
Kai Ray Davis pastebėjo saulės neutrinus, jis rado tik trečdalį tikėtino skaičiaus. Dauguma fizikų manė, kad to priežastis – menkos Saulės astrofizikos žinios: galbūt žvaigždės vidaus modeliai pervertino joje susidarančių neutrinų skaičių. Tačiau bėgant metams, net tobulėjant saulės modeliams, jų trūkumas išliko. Fizikai atkreipė dėmesį į kitą galimybę: problema gali būti susijusi su mūsų supratimu apie šias daleles. Pagal tuomet vyravusią teoriją jie neturėjo masės. Tačiau kai kurie fizikai teigė, kad dalelės iš tikrųjų turėjo be galo mažą kiekįmasė, ir ši masė buvo jų trūkumo priežastis.
Triveidė dalelė
Pagal neutrinų virpesių teoriją, gamtoje yra trys skirtingi neutrinų tipai. Jei dalelė turi masę, tada judant ji gali keistis iš vienos rūšies į kitą. Trys tipai – elektronas, miuonas ir tau – sąveikaujant su medžiaga gali virsti atitinkama įkrauta dalele (elektronu, miuonu arba tau leptonu). „Svyravimas“atsiranda dėl kvantinės mechanikos. Neutrinų tipas nėra pastovus. Laikui bėgant keičiasi. Neutrinas, pradėjęs savo egzistavimą kaip elektronas, gali virsti miuonu, o paskui atgal. Taigi, Saulės šerdyje susidariusi dalelė, pakeliui į Žemę, gali periodiškai virsti miuonu-neutrinu ir atvirkščiai. Kadangi Daviso detektorius galėjo aptikti tik elektroninius neutrinus, galinčius sukelti chloro branduolinę transformaciją į argoną, atrodė, kad trūkstami neutrinai pavirto į kitus tipus. (Kaip paaiškėja, neutrinai svyruoja Saulės viduje, o ne pakeliui į Žemę.)
Kanados eksperimentas
Vienintelis būdas tai patikrinti buvo sukurti detektorių, kuris veiktų visų trijų tipų neutrinams. Nuo 1990-ųjų Artūras McDonaldas iš Queen's Ontario universiteto vadovavo komandai, kuri tai padarė kasykloje Sadberyje, Ontarijo valstijoje. Įrenginyje buvo tonos sunkaus vandens, paskolinto iš Kanados vyriausybės. Sunkusis vanduo yra reta, bet natūraliai pasitaikanti vandens forma, kurioje vandenilis, turintis vieną protoną,pakeičiamas sunkesniu deuterio izotopu, kuriame yra protonas ir neutronas. Kanados vyriausybė kaupė sunkaus vandens atsargas, nes jis naudojamas kaip aušinimo skystis branduoliniuose reaktoriuose. Visi trys neutrinų tipai galėjo sunaikinti deuterį, sudarydami protoną ir neutroną, o neutronai buvo skaičiuojami. Detektorius užregistravo maždaug tris kartus daugiau dalelių, palyginti su Davisu – būtent tiek, kiek numatė geriausi Saulės modeliai. Tai leido manyti, kad elektroninis neutrinas gali svyruoti į kitus tipus.
Japoniškas eksperimentas
Maždaug tuo pačiu metu Takaaki Kajita iš Tokijo universiteto atliko dar vieną nuostabų eksperimentą. Japonijoje šachtoje įrengtas detektorius užfiksavo neutrinus, sklindančius ne iš Saulės žarnų, o iš viršutinių atmosferos sluoksnių. Kosminių spindulių protonams susidūrus su atmosfera, susidaro kitų dalelių lietus, įskaitant miuonų neutrinus. Kasykloje jie vandenilio branduolius pavertė miuonais. Kajita detektorius galėjo matyti daleles, sklindančias dviem kryptimis. Kai kurie nukrito iš viršaus, kildami iš atmosferos, o kiti judėjo iš apačios. Dalelių skaičius buvo skirtingas, o tai rodo skirtingą jų prigimtį – jos buvo skirtinguose savo virpesių ciklų taškuose.
Mokslo revoliucija
Visa tai egzotiška ir nuostabu, bet kodėl svyravimai ir neutrinų masės pritraukia tiek dėmesio? Priežastis paprasta. Standartiniame dalelių fizikos modelyje, sukurtame per pastaruosius penkiasdešimt XX amžiaus metų,kuris teisingai apibūdino visus kitus greitintuvų ir kitų eksperimentų stebėjimus, neutrinai turėjo būti bemasės. Neutrinų masės atradimas rodo, kad kažko trūksta. Standartinis modelis nėra baigtas. Trūkstami elementai dar turi būti atrasti naudojant Didįjį hadronų greitintuvą arba kitą dar nesukurtą mašiną.
