Nagroda Nobla 2015 z fizyki za badania nad neutrinami dla Takaaki Kajity i Arthura B. McDonalda

Nagrodę Nobla z fizyki otrzymali Takaaki Kajita oraz Arthur B. McDonald za badania nad oscylacjami neutrin i stwierdzenie, że cząstki te mają masę

Nobla z fizyki w 2015 roku przyznano za rozwiązanie zagadki neutrin i wykazanie, że mają one masę. Nagrodzeni Takaaki Kajita oraz Arthur B. McDonald są członkami dwóch dużych zespołów -jednego pracującego w detektorze neutrin Super-Kamiokande w Japonii i drugiego Sudbury Neutrino Observatory w Kanadzie.

Obserwatorium Super-KamiokandeFot. Flickr/ Amber Case

Neutrina to cząstki elementarne mające, jak sama nazwa wskazuje, zerowy ładunek elektryczny. Ponieważ bardzo słabo oddziałują z materią, trudno je wykryć a w każdej sekundzie przez nasze ciała przelatują ich miliardy. Zatrzymać je mogą tylko zderzenia z jądrami atomowymi, te jednak zajmują maleńki ułamek przestrzeni.

Neutrina mają właściwość, którą fizycy z duża fantazją określają stanem zapachowym. Neutrina mogą mieć trzy stany zapachowe (elektronowe, mionowe i taonowe), a w detektorach takich jak Super-Kamiokande (na zdjęciu powyżej) wykrywamy dwa z tych typów - neutrina mionowe i elektronowe.

Modele określające procesy, jakie odbywają się we wnętrzu najbliższej nam gwiazdy, Słońca, podają liczbę neutrin elektronowych, jaka powinna docierać stamtąd do Ziemi. Kłopot w tym, że w detektorach rejestrowaliśmy trzykrotnie mniej cząstek, niż teoretycznie powinniśmy. Zagadnienie to nazwano problemem neutrin słonecznych, a do jego rozwiązania przyczynili się tegoroczni nobliści.

Jako rozwiązanie zagadki zaproponowano teorię, zgodnie z którą neutrina mogą zmieniać swój stan zapachowy. To miało sens - skoro są trzy stany zapachowe, a my wykrywamy trzy razy za mało neutrin, to brakująca część zmieniła się po opuszczeniu Słońca tak, że nie potrafimy jej zarejestrować.

Jednak, by takie rozwiązanie mogło działać, neutrina musiały mieć masę różną od zera. Wciąż jej dokładnie nie znamy, zbliżamy się dzięki kolejnym eksperymentom do tej wiedzy. Obecnie wiadomo, że najcięższe neutrina nie ważą więcej, niż 200 meV (milielektronowoltów)

Wodny detektor Super-Kamiokande wykrywa neutrina atmosferyczne. Gdy neutrino zderza się z cząsteczkami wody w zbiorniku tworzy się naładowana elektrycznie cząstka. Generuje to promieniowanie Czerenkowa, które mierzone jest przez czujniki światła. Moc promieniowania wskazuje na rodzaj i pochodzenie neutrina, które je spowodowało. Neutrina mionowe, które dotarły do Super-Kamiokande z atmosfery, były bardziej liczne, niż te, które wcześniej przedostały się przez Ziemię. Wskazuje to na to, że neutrina mionowe, które pokonały dłuższą drogę miały czas, by zmienić swój stan zapachowy.Kliknij, by powiększyć

Odkryć tych dokonano głęboko pod ziemią w gigantycznych zbiornikach wypełnionych doskonale czystą wodą. Detektor Super-Kamiokande leży na głębokości 1 km pod ziemią, wypełniony jest 50 tysiącami ton wody. Zbiornik ma wysokość 40 metrów i średnicę 40 metrów. To gigantyczne urządzenie znajduje się w Japonii, w mieście Hida, i mieści superczystą wodę o objętości równej 33 basenom olimpijskim.

Jeśli lecące neutrino wejdzie w oddziaływanie z jakąś inną cząstką (a zdarza się to bardzo rzadko), to emitowane jest promieniowanie Czerenkowa, które wykrywa jeden z 11146 fotopowielaczy, czyli elektronicznych oczu śledzących stale zbiornik.

Badania podobne do tych, jakie prowadzono w Super-Kamiokande miały też miejsce w kanadyjskim detektorze e Sudbury Neutrino Observatory.

Naukowcy z obu tych ośrodków ogłosili swoje prace w 1998 i 2001 roku. Dowiodły one, że błędne jest dotychczasowe założenie, iż neutrina nie mają masy. By mogły zmieniać stan zapachowy, muszą mieć masę, a to zmieniło spojrzenie na elementarną budowę Wszechświata.

Obserwatorium Neutrin w Sudbury wykrywa neutrina ze Słońca, gdzie tworzone są wyłącznie neutrina elektronowe. Reakcje zachodzące w zbiorniku pomiędzy neutrinami a ciężką wodą umożliwiają mierzenie zarówno neutrin elektronowych jak i wszystkich trzech typów neurin razem.  Odkryto, że neutrin elektronowych jest mniej, niż się spodziewano, podczas gdy suma wszystkich typów neutrin jest zgodna z oczekiwaniami. Wysnuto więc wniosek, iż część neutrin elektronowych zmieniło swój stan zapachowy.Kliknij, by powiększyć

Nieuchwytne neutrina

Otacza nas wiele źródeł neutrin. Najsilniejszym w okolicy jest Słońce, ale kosmos pokonują też cząstki narodzone jeszcze podczas Wielkiego Wybuchu. Powstają podczas wybuchów supernowych, we wnętrzach reaktorów atomowych ale też wewnątrz naszych ciał - w każdej sekundzie 5000 tych cząstek tworzy się podczas rozpadu izotopów potasu wbudowanego w nasze komórki. Zaraz po fotonach neutrina są najczęściej spotykanymi cząstkami Wszechświata.

Ponieważ neutrina swobodnie przelatują przez materię, długo nie wiedzieliśmy o ich istnieniu. Teoretycznie przewidział je w latach 30. XX wieku Wolfgang Pauli, który próbował w ten sposób poradzić sobie z zachowaniem energii przy rozpadzie radioaktywnym. Sam był mocno krytyczny wobec swojego pomysłu i napisał w liście do kolegów "Zrobiłem rzecz straszną postulując istnienie cząstki, której nie da się wykryć."

Wkrótce potem sprawy uporządkował Enrico Fermi, który opracował spójną teorię uwzględniającą istnienie neutrin. On też wymyślił nazwę "neutrino" będącą włoskim zdrobnieniem od słowa "neutron". Jednak na wykrycie istnienia tych cząstek trzeba było czekać aż do lat 50., kiedy to amerykańskim badaczom udało się uchwycić ślad neutrina w detektorze. O tym, jak słabo oddziałują one z materią może świadczyć fakt, że w każdej sekundzie przez każdy centymetr kwadratowy Ziemi przelatuje 60 miliardów neutrin, a gigantyczne detektory rejestrują zaledwie kilka zderzeń w ciągu dnia.

[AKTUALIZACJA]

Ciekawą informację na temat udziału Polaków otrzymaliśmy od rzecznika Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Poniżej jej fragment:

W eksperymencie Super-Kamiokande od samego początku jego projektowania uczestniczyła prof. Danuta Kiełczewska z Uniwersytetu Warszawskiego. Zapoczątkowało to rosnące zaangażowanie polskich fizyków w eksperymenty fizyki neutrin w Japonii. Dziś W Polsce istnieją cztery silne ośrodki fizyki neutrin: Warszawa, Kraków, Katowice i Wrocław. Najsilniejsza grupa fizyków neutrinowych to Warszawska Grupa Neutrinowa. Stanowią ją naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz Politechniki Warszawskiej. Grupa pracuje przy eksperymentach: Super-Kamiokande, T2K, Minos, Icarus znajdujących się w Japonii, USA i Europie. Przygotowuje sprzęt i oprogramowanie do owych eksperymentów, analizuje dane pochodzące z nich i dokonuje odkryć. Najważniejsze odkrycie w fizyce neutrin ostatnich lat - potwierdzenie oscylacji neutrin mionowych w elektronowe - stało się udziałem również Polskiej Grupy Neutrinowej.
Polscy fizycy biorą udział we wszystkich fazach eksperymentów, w które są zaangażowani - poczynając od przygotowywania sprzętu i oprogramowania, uczestnictwie w zbieraniu danych przez eksperyment, ich analizowaniu, a skończywszy na przygotowywaniu publikacji, w której przedstawiany jest ostateczny wynik, odkrycie. Współpraca pomiędzy polskimi grupami i ośrodkami zagranicznymi wciąż jest poszerzana. Neutrinowe grupy polskie powiększają się, zdobywają doświadczenie i rozwijają są cenieni przez międzynarodowe zespoły naukowców.
Więcej informacji: http://neutrino.fuw.edu.pl/pl

Nobliści

Takaaki Kajita - urodzony w 1959 roku w Japonii. Obecnie pracuje na Uniwersytecie Tokijskim.

Arthur B. McDonald - urodzony w 1943 roku w Kanadzie. Pracuje na Uniwersytecie Queen's.

Więcej o:
Komentarze (94)
Nagroda Nobla 2015 z fizyki za badania nad neutrinami dla Takaaki Kajity i Arthura B. McDonalda
Zaloguj się
  • kocurxtr

    Oceniono 100 razy 90

    gratulacje
    i chociaż zagadnienia te ogarnia pewno garstka ludzi na Ziemi, to takie właśnie odkrycia popychają rozwój cywilizacyjny
    brawo :)

  • zdziwiony6

    Oceniono 39 razy 39

    No i artykuł o noblistach spadł z głównej strony GW. A Doda została.

  • qfadrat

    Oceniono 60 razy 26

    Nobel z Ekonomii nalezy sie Szydlo za wynalezienie sposobu na kreaowanie kasy

  • i-tyle

    Oceniono 55 razy 25

    Za starych dobrych czasów fizyki klasycznej o nowinkach, prędkości światła, właściwościach czasu, "paradoksach" można było sobie podyskutować przy piwie:)

    Dzisiejsza fizyka jest już tak odjechana i niedostępna, że bez totalnego poświęcenia jej wszystkiego nie da rady za tym nadążyć.

    Został już tylko dyskomfort i niedosyt.

  • an.noyed

    Oceniono 24 razy 20

    Wiedziałem, że McDonald nie powiedział jeszcze ostatniego słowa.

  • Misza Kruchy

    Oceniono 15 razy 15

    Jeśli lecący "neutron" wejdzie w oddziaływanie z jakąś inną cząstką (a zdarza się to bardzo rzadko), to emitowane jest promieniowanie Czerenkowa...
    -------------------------------
    neutrino nie neutron Panie Redaktorze.... piszemy o wykrywaniu neutrino a nagle zjawia sie neutron, ktory jest zupelnie inna czastka niz neutrino...
    ehhh..

Aby ocenić zaloguj się lub zarejestrujX