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-Kamiokande Fot. Flickr/ Amber Case Fot. 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)
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.
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.
