Fizycy wiedzą o ich istnieniu od 70 lat, jednak neutrina pozostają jedną z największych zagadek nauki. Te widmowe cząstki, obecne od początku Wszechświata, miliard razy przewyższają liczebnie wszystkie inne masywne cząstki, ale ich podstawowe właściwości wciąż nie są w pełni poznane.
Długie polowanie na ducha
Istnienie neutrin zostało po raz pierwszy zaproponowane w 1930 roku przez Wolfganga Pauliego w celu rozwiązania sprzeczności w prawie zachowania energii podczas rozpadu promieniotwórczego. Rozpad beta, podczas którego dochodzi do transformacji jądra atomowego, wydawał się naruszać podstawowe prawa fizyki, dopóki Pauli nie zaproponował, że niewidzialna cząstka zabiera brakującą energię. Zażartował, że „postulował istnienie cząstki, której nie da się wykryć”.
Udowodnienie mu, że się mylił, zajęło kolejne 25 lat. W 1956 roku Clyde Cowan i Frederick Reines potwierdzili istnienie cząstki w fabryce Savannah River w Południowej Karolinie. Ich eksperyment, pomysłowo zaprojektowany do wykrywania niezwykle słabych oddziaływań neutrin z materią, polegał na obserwacji charakterystycznej sygnatury oddziaływań antyneutrin: emitowanych kolejno pozytonu i neutronu. Reines później otrzymał Nagrodę Nobla za swoją pracę w 1995 roku.
Dlaczego neutrina mają znaczenie: wszechświat pytań
Dziś naukowcy wciąż próbują odpowiedzieć na fundamentalne pytania dotyczące neutrin. Najważniejsze: jaka jest ich masa? Wiemy, że jest ona bardzo mała, ale niezerowa, co niezwykle utrudnia bezpośredni pomiar. Ten brak wiedzy podważa Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych, który zakłada, że neutrina nie mają masy.
Oprócz masy pozostają jeszcze inne tajemnice:
-Czy neutrina są swoimi własnymi antycząstkami?
– Czy istnieją ukryte rodzaje neutrin poza trzema znanymi rodzajami (elektron, mion i tau)?
– Czy neutrina mogą wyjaśnić brak równowagi pomiędzy materią i antymaterią we Wszechświecie?
Pytania te nie są jedynie ciekawostkami teoretycznymi. Masa neutrin wpływa na powstawanie galaktyk i strukturę przestrzeni. Istnieje napięcie pomiędzy eksperymentami naziemnymi a obserwacjami kosmologicznymi, co sugeruje, co pozostaje do odkrycia.
Nowe podejście do odkrywania tajemnic
Nowoczesne eksperymenty przesuwają granice wykrywalności. Naukowcy wykorzystują lód Antarktyki, Morze Śródziemne i głęboko podziemne laboratoria do wychwytywania tych nieuchwytnych cząstek. Nowe metody obejmują:
– Pomiar odrzutu jądrowego: Wykrywanie małego „wypukłości”, gdy neutrino oddziałuje z całym jądrem, a nie tylko z pojedynczymi protonami lub neutronami.
– Czujniki krawędzi przejściowej: Ultraczułe termometry do pomiaru ciepła wytwarzanego podczas odrzutu rdzeni.
– Lewitujące nanosfery: Cząsteczki radioaktywne zawieszone w laserach, umożliwiające precyzyjne śledzenie ruchu odrzutu.
W jednym z eksperymentów, HOLMES we Włoszech, wykorzystano radioaktywny holm-163 do pomiaru masy neutrin poprzez obserwację odrzutu jądra podczas rozpadu. Inny zespół, kierowany przez Davida Moore’a z Uniwersytetu Yale, wykorzystuje lewitujące nanosfery do poszukiwania cięższych, niewykrytych neutrin.
Nieustanne wyzwanie
Pomimo dziesięcioleci badań najpowszechniejsza cząstka we wszechświecie pozostaje frustrująco nieuchwytna. Jak mówi Diana Parno z Carnegie Mellon University: „neutrina nie siedzą i nie myślą: «No dobrze, co jeszcze mogę zrobić dla tych fizyków»”.
Ale niestrudzone poszukiwanie odpowiedzi trwa. Neutrina to nie tylko problem fizyczny; stanowią one zasadniczą lukę w naszym rozumieniu kosmosu. Rozwiązanie ich tajemnic może zmienić nasze rozumienie samego Wszechświata.
