Neutrini i njihovo čudno subatomsko bivstvovanje mogli bi da nam pomognu da shvatimo čestice visoke energije, eksplozije zvezda, pa i poreklo same materije.
Slika prikazuje putanje neutrina dok proleću kroz komoru. Slika je nastala na osnovu slike iz Fermilabove mehuraste komore. Laboratorija ima godišnji budžet od preko pola milijarde dolara.
Zašto bi, nakon što je milionima godina postojano osvetljavala ledenu tamu, superdžinovska zvezda iznenada eksplodira u zaslepljujućem bljesku slave, sjajnijem od 100 milijardi zvezda? Koji egzotični objekti u dubokom svemiru ispaljuju čestice sa daleko najvišom energijom u svemiru? I možda najintrigantnije, zašto svemir uopšte sadrži bilo kakvu materiju? Ove misterije decenijama muče astrofizičare i fizičare čestica. Međutim, ključ za rešavanje ove tri duboke zagonetke i sam je po sebi jedna od najvećih enigmi fizike: zove se neutrino[1].
Svemir je prepun ovih neobičnih subatomskih čestica, gotovo bez mase[2]. Stvorene u ogromnom broju odmah nakon Velikog praska i neprestano izbacivane iz zvezda i drugih mesta sa radioaktivnim raspadom i drugim reakcijama, kvadrilioni ovih sablasnih čestica plove bukvalno kroz zvezde i planete, uključujući i naše[3].
Ne noseći električni naboj, neutrine ne privlače ni protoni ni elektroni, pa ne stupaju u interakcije s elektromagnetskim poljima. Oni takođe ne osećaju moćnu silu koja deluje na sićušnim skalama, poznatu jednostavno kao jaka sila, koja drži zajedno protone i neutrone u atomskom nukleusu.
Neutrini su nedodirljiviji od naših političara, retko smisleno komuniciraju jedni s drugima ili s bilo čim drugim u kosmosu. Paradoksalno, ali njihova posebnost dodeljuje im presudnu ulogu kako u funkcionisanju kosmosa, tako i u otkrivanju nekih od njihovih najvećih tajni.
Neutrinska fizika je ušla u svoje zlatno doba. Kao deo jednog eksperimenta, neutrini su nedavno bacili novo svetlo na izvore visoke energije u dubokom kosmosu, kao što crne rupe izbacuju čestice u snopovima dugim milijardama kilometara.
Drugi astronomski eksperiment duboko pod zemljom u jednom japanskom rudniku koristi neutrine kako bi odredio prosečnu temperaturu i energiju drevnih supernova ne bi li bolje shvatili njihovo tipično ponašanje. Fizičari koriste računarske simulacije kako bi analizirali ključnu ulogu neutrina u aktiviranju vrste supernovih koje distribuiraju bitne elemente poput kiseonika i azota.
Pored sve većeg širenja uloge neutrina u astronomiji i otkrivanju njihove uloge u astrofizici, fizičari se još uvek bore da otkriju neka osnovne osobine neutrina. Naprimer, neki naučnici pokušavaju da utvrde moguće mase čestica. Te bi fundamentalne informacije uticale na teorije koje objašnjavaju mase drugih čestica.
Naučnici se takođe nadaju da će utvrđivanjem još jedne osnovne osnovne osobine neutrina naći odgovor na jednu od najvećih zagonetki teorijske fizike: zašto se sva materija i antimaterija stvorena posle Velikog praska nije međusobno poništila (anihilirala) i ostavila za sobom samo energiju? U praskozorje kosmosa, za svaku česticu materije, kao što je npr. elektron, postojao je antielektron; za svaki kvark (osnovni sastojak materije) postojao je antikvark, objašnjava fizičar Chang Kee Jung sa univerziteta Stony Brook. Kad se te suprotnosti sretnu, trebalo bi da anihiliraju, stvarajući čistu energiju.
Pa zašto je pretekla bilo kakva materija? Najverovatnije rešenje, kažu vodeći fizičari poput dr Junga, leži u teoriji da su današnji neutrini, koji jedva imaju ikakvu mase, nekada imali teške partnere. Ovi neutrinski rođaci, 100 triliona (milion miliona) puta masivniji od protona, stvoreni su pri ogromnoj temperaturi koja je vladala odmah nakon Velikog praska. Imali su posebnu androgenu sposobnost raspadanja bilo u materiju, bilo u antimaterijsku alternativu. Jedna takva superteška čestica mogla je da se raspadne u neutrino i neku drugu česticu – poput elektrona, recimo – dok bi se superteški neutrino raspadao na antineutrino i drugu česticu.
Da bi ova teorija objasnila zbog čega materija postoji, ti rani superteški neutrini su morali češće da se raspadaju na čestice nego na antičestice. Fizičari koji rade na neutrinskim detektorima poput NOvA (NuMI Off-Axis νe Appearance) u Minnesoti, osim što pokušavaju da odrede masu neutrina, proučavaju prelaze li današnji lakši neutrini iz jednog tipa (ili 'ukusa'[4]) u drugi brzinom drugačijom od antineutrina. Ista teorija koja bi mogla da objasni ovo ponašanje u današnjim svetlosnim neutrinima mogla bi da objasni i sklonosti superteških neutrina na početku vremena. Ako je teorija superteških neutrina tačna, onda su te iskonske čestice 'vrhovni predak' od kojih su potekle sve čestice u kosmosu.
Otkrića vezana uz neutrino već su donela četiri Nobelove nagrade, a eksperimenti koji su trenutno u toku mogli bi da obezbede još karata za Štokholm. Naizgled beskorisni neutrino ne može biti bitniji za naše shvatanje kosmosa, niti se može prenebregnuti njegova duboka važnost.
STIŽE ICE TELESCOPE
Računari iz IceCube Laboratory iz polarne stanice Amundsen-Scott Pole Station prikupljaju podatke i analiziraju rezultate hiljada podzemnih detektora neutrina koji zauzimaju kubni kilometar. To je najveći detektor neutrina na svetu, koji radi još od 2010.
Pišući pre 15-ak godina u našoj knjizi poglavlje o neutrinima, prvi put sam uopšte čuo za njih i bio zapanjen njihovim detektorima punjenim sredstva za hemijsko čišćenje. Naučnici koji žele da detektuju neutrine moraju da ukopavaju detektore duboko pod zemlju ili ispod vode ne bi li nekako filtrirali kosmičke zrake koje neprestano bombarduju Zemlju. (Neutrini putuju glatko i bez interakcije kroz materiju, bez obzira na to koliko je gusta ili debela). Dr Francis Halzen, belgijski fizičar sa univerziteta Wisconsin-Madison, pre nekoliko decenija je shvatio da bi Antarktik bio idealno mesto za njih, jer je led dovoljno debeo da se hiljade svetlosnih senzora zakopa više od milje u dubinu.
Kada neutrino dobije priliku da se sudari sa nekim atomskim jezgrom u ledu, stvara se elektron ili mion (teži rođak elektrona), oslobađajući trag svetlosti. Taj trag svetlosti može da registruje IceCube, američki podzemni teleskop i detektor čestica na Južnom polu. Halzen je samo jedan od gotovo 250 ljudi koji su uključeni u projekt.
U maju 2012. fizičari iz IceCubea su otkrili svetlosne tragove dva neutrina s neverovatnih 1000 puta većom energijom od bilo kojeg neutrina ikad otkrivenog na Zemlji. Debilno kršteni kao Bert i Ernie, prema likovima iz dečje TV serije 'Sesame Street', potakli su naučnike iz IceCubea da prekontrolišu podatke na tom energetskom nivou. Ubrzo su otkrili još 26 visokoenergetskih neutrina. Kada su fizičari detaljnije pregledali podatke do maja 2013, pronašli su još 9 visokoenergetskih neutrina, od kojih je jedan imao energiju kao Bert i Ernie zajedno. 'Nazvali smo ga [još debilnije] Big Bird, naravno', rekao je Halzen.
Neki neutrini gotovo sigurno potiču izvan naše galaksije i mogli bi pomoći u rešavanju čitav vek stare misterije o izvoru kozmičkih zraka neverovatno visokih energija[5]. Smatra se da takvi izvori takođe proizvode i visokoenergijske neutrine. Neki od mogućih scenarija su: erupcije materije iz neverovatno masivnih crnih rupa, sudari galaksija ili fabrike zvezda poznate kao Starburst galaksije.
'IceCube nam je napokon otvorio novi prozor u kosmos[6]', kaže fizičar John Beacom sa državnog univerziteta Ohajo. 'Svih ovih godina bavili smo se astronomijom sa svetlošću (ne samo vidljivom), propuštajući veliki deo akcije.'
MISTERIJE NEUTRINA
Neutrini su notorni izmenjivači oblika. Svaki se rodi kao jedan od tri tipa, ili ukusa – elektronski, mionski i tau – ali dok putuju, ukus može da se promeni za nekoliko hiljaditinki sekunde, kao da ne mogu da odluče šta će da budu. Neutrini se, poput ostalih subatomskih čestica, ponekad ponašaju poput talasa. Ali dok neutrini putuju, talasi ukusa se kombinuju na različite načine. Ponekad kombinacija tvori ono što uglavnom predstavlja elektronski neutrino, a ponekad uglavnom mionski neutrino.
Budući da su neutrini kvantne čestice i po definiciji su čudne, one nisu jedan po jedan ukus, već uvek čine mešavinu ukusa. U vrlo, vrlo retkoj prilici kada neutrino stupi u interakciju s drugom česticom, ako se čini da reakcija proizvodi elektron, onda je neutrino bio elektronskog ukusa u svojim poslednjim trenucima; ako proizvodi mion, neutrino je imao mionski ukus. Kao da kriza identiteta sramežljivog neutrina može da se reši tek kad napokon stupi u interakciju s drugom česticom.
TAKMIČENJE TEŠKAŠA
Fizičari se nadaju da će shvatanjem neutrinovog neobičnog menjanja oblika rešiti nekoliko misterija. Naučnici poznaju mase svih ostalih fundamentalnih čestica, poput elektrona, ali neutrino – barem milion puta lakši od elektrona – daleko je neuhvatljiviji zbog svojih načina transformisanja.
Otkriće neutrinskih masa bi uticalo na fundamentalnu teoriju međusobnih interakcija čestica i sila, na tzv. Standardni model fizike čestica. Fizičari već znaju da je teorija nepotpuna, jer pogrešno predviđa da neutrini nemaju masu. 'Možda će nam pomoći da bolje razumemo razloge za masu ostalih čestica', kaže William Louis iz Nacionalne laboratorije Los Alamos. 'Slagalicu je mnogo lakše složiti ako su dostupni svi delovi.'
Poteškoća u utvrđivanju neutrinskih masa leži u Hajzenbergovom principu neodređenosti, temeljnom kamenu kvantne fizike. U njemu se navodi da su određena svojstva subatomskih čestica povezana tako da što preciznije poznajemo jedno, manje precizno možemo da znamo drugo. Naprimer, što tačnije znamo gde se nalazi neka čestica, onda manje znamo njenu brzinu (odn. momenat). A nakon što odredimo momenat čestice, ne možemo apsolutno da znamo njeno mesto. Neutrinovi ukus i masa su povezani na sličan način, smatra fizičar univerziteta Indiana, dr Mark Messier. Ne možemo istovremeno da znamo oboje. Iz tog razloga kaže: 'Uvek merimo neku kombinaciju masa. ... Nema smisla ni pitati se kolika je masa pojedinog ukusa neutrina.'
Koliko naučnici mogu da zaključe, svaki neutrino predstavlja zapravo kombinaciju tri mase, ali tu kombinaciju ne možemo da znamo bez merenja. Fizičari nisu sigurni da li je najveća, ili najteža, od triju masa najverovatnije elektronski neutrino ili je najmanja šansa da je to elektronski neutrino.
KADA LEVACI SKREĆU DESNO
Sva materija poseduje svoju sliku u ogledalu, koja se naziva antimaterija. Za elektron koji ima negativan naboj, antimaterijski blizanac – pozitron – identičan je, osim što ima pozitivan naboj. Ako materija naleti na antimateriju, uzejamno će se potreti u naletu energije[7].
Za svaki od tri ukusa neutrina postoje i odgovarajući antineutrini koji se nazivaju, gle čuda, elektronski antineutrino, mionski antineutrino i tau antineutrino.
Budući da su neutrini elektroneutralni, njihove antičestice ne mogu imati suprotne naboje. Umesto toga, suprotan je njihov 'spin'. (Neutrini su premali da bi se doista vrteli poput planeta; pojam spina se odnosi na svojstvo koje je na neki način ekvivalentno spinu, mada ga je nemoguće zamisliti.) Neutrini su 'levoruki' – uvek se vrte ulevo, u odnosu na njihov smer kretanja. Antineutrini su 'dešnjaci'. Ekscentrični sicilijanski teoretičar Ettore Majorana sugerisao je da budući da su neutrini neutralni, moguće je da su oni sebi vlastite antičestice – što znači da bi pod određenim okolnostima neutrino mogao da se ponaša poput antineutrina. Ako bi to bilo tačno, ispunio bi se jedan nužan uslov za teoriju vrhovnog pretka neutrina koja objašnjava zašto postojimo mi i sva materija u kosmosu.
SLOMLJENO OGLEDALO?
Ako primenimo zakone fizike na antimateriju, sve funkcioniše isto, samo obrnuto[8]. Magnetsko polje bi odbijalo elektron i pozitron potpuno jednakom silom: naprimer, ako bi elektron bio gurnut udesno, pozitron bi bio gurnut ulevo. Fizičari se nadaju da neutrini ne moraju nužno da slede ovaj ogledalski efekat, i da bi oni ponovo mogli da budu neobične čestice koje vode novom shvatanju prirode.
U eksperimentima u SAD i Japanu istraživači pokušavaju da utvrde događa li se metamorfoza neutrina u različite ukuse različitom brzinom od transformacija antineutrina. Dakle, umesto recimo 10-postotne šanse da se elektronski neutrino pretvori u mionski neutrino, naprimer, fizičari se pitaju jesu li šanse manje da se elektronski antineutrino pretvori u mionski antineutrino. Uočili su presedane za takvo 'asimetrično' ponašanje kod nekoliko drugih čestica, a određene teorije predviđaju isto ponašanje kod neutrina.
Ako se neutrini doista transformišu u druge ukuse različitom brzinom od antineutrina, verojatno je ta razlika u materiji/antimateriji kod neutrina bila prisutna i kod njihovih superteških predaka u praskozorje vremena.
GLEDATI ZVEZDE
Astrofizičar prof. dr Hans-Thomas Janka i njegov tim fizičara iskoristili su banku superračunara da stvori
3-D modele toplote koja se stvara u eksploziji zvezda izazvanoj neutrinima.
Negde u kosmosu, barem jednom svake sekunde, masivne zvezde prelaze u supernove, bljesnuvši tokom par nedelja intenzitetom zvezda čitave galaksije. Čak ni nakon 60 godina proučavanja, niko ne zna tačno zašto nastaju supernove. Ali mladom astrofizičaru Hans-Thomasu Janki, jasno je da su neutrini glavni krivci za ovu misteriju.
Radeći na Institutu za astrofiziku Max Planck u Minhenu, Janka je rešio da u višedecenijsko traganje za razumevanjem neverovatno složenog mehanizma supernove uključi desetine najmoćnijih svetskih računara. Napredak u fizici i snazi računara pomogli su mu u izgradnji sofistikovanih modela, izvedenih iz stotina linija računarskog koda, koji beleže nijanse u obliku zvezda, uzimajući u obzir sve, od rotacije zvezda i nuklearnih reakcija do Ajnštajnove teorije gravitacije. Sada, prvi put, Jankini najnoviji modeli u potpunosti opisuju ponašanje neutrina u paklenim uslovima smrti zvezde.
1982. James Wilsoniz Nacionalne laboratorije Lawrence Livermore prvi put je pokazao kako neutrini mogu da pokrenu eksploziju supernove. Wilson je znao da kada masivna zvezda sagori poslednje količine goriva nakon nekih 10 miliona godina, njeno jezgro usled gravitacije brzo implodira, povlačeći svu zvezdanu materiju prema sebi. Implozija počinje da se pretvara u eksploziju i stvara se udarni talas. Ali u roku od nekoliko hiljaditinki sekunde, stvari se ohlade. Tada nešto uzrokuje da udarni talas 'oživi' i pokrene eksploziju, ostavljajući za sobom gustu neutronsku zvezdu.
Banka superračunara na institutu za astrofiziku Max Planck u Minhenu. Objavljuju više radova i citiraniji su iz oblasti fizike i kosmičkih nauka nego ijedna druga istraživačka organizacija na svetu.
Uz pomoć računarskog modelovanja, Wilson je otkrio da su to 'nešto' zapravo neutrini, koji nastaju u obilnim količinama – reda veličine 1 nakon čega sledi 58 nula – kada se elektroni i protoni u jezgri pretvaraju u neutrone. Budući da su ti neutroni spakovani tako čvrsto – kocka šećera bi težila 100 miliona tona – neutrini bi tamo ostali zarobljeni, odbijajući se i stupajući u interakciju s ostalim česticama (uglavnom neutronima, ali i sa ponekim protonima i elektronima) trilionima puta. Neutrini bi se zadržali u jezgri samo na sekundu, ali Wilson veruje da bi se stvorila dovoljna toplota koja može da pokrene eksploziju supernove. Ograničen računarima tadašnje generacije i razumevanjem fizike, Wilsonov model se oslanjao na pojednostavljenja – poput onog da su zvezde savršene sfere – i nepreciznih pretpostavki o ponašanju vrlo guste materije i kako se neutrini kreću iz unutrašnjosti jezgra ka ključnim spoljnjim delovima gde dolazi do zagrejavanja udarnog talasa. Model nije uspeo.
Janka je o Wilsonovom modelu saznao četiri godine kasnije, kao student diplomskih studija na Tehničkom fakultetu u Minhenu. Smatrao je da teorija zvuči verovatno, pa je razvio novi način za opisivanje fizike neutrina u supernovima, radeći na novim dostupnim superračunarima vrednima \(25 miliona na Institutu Max Planck, jednom od retkih mesta u Evropi na kojima su računari bila dostupni za neklasifikovana istraživanja. Janka je radio bez prestanka, njegova žestoka ambicija koegzistirala je s neprestanim strahom: budući da je bio jedan od retkih koji je radio u tada vrlo ograničenom području studija, Janka se brinuo da će u trenutku doktorata imati preko 30 godina male izglede za posao.
Ali umešalo se samo nebo. 1987. godine u Velikom Magelanovom oblaku, nama najbližoj susednoj galaksiji (ona je naš patuljasti satelit), pojavila se prva supernova vidljiva golim okom još od 1604. godine. Od triliona neutrina koje je eksplozija emitovala, detektori na Zemlji su uhvatili 25[9], otvorivši iznenada novo polje astrofizike čestica. 'To je bio početni potsticaj koji je uticao na čitavu moju karijeru', kaže Janka. 'To je bio razlog zašto je u Minhenu pokrenut veliki astrofizičkike program istraživanja neutrina i što sam tamo 1995. dobio stalni posao.'
Prof. dr Hans-Thomas Janka.
U vreme dok sam ovo pisao bio sam jedini posetilac sajta Međunarodne istraživačke škole za astrofiziku Max Planck. U poslednjih 10 dana bila su dvojica iz N. Sada, 1 iz Niš, 4 iz Zagreba i 1 iz Podgorice.
Ta supernova iz 1987. godine (SN 1987A) potvrdila je osnovnu sliku kolapsirajućeg jezgra masivne zvezde koja izbacuje ogroman oblak neutrina[10]. Janka je nestrpljivo počeo da pravi računarske modele, ali kao i Wilson, morao je da krene od pretpostavke da su zvezde sferična – preterano pojednostavljenje koje je bilo diktirano visokim troškovima računarske snage. Kada je Janka startovao svoj najbolji model, zvezda nije eksplodirala. Tokom sledeće decenije sarađivao je s Ewaldom Muellerom sa Instituta za astrofiziku Max Planck kako bi stvorili složenije modele. Utvrdili su kako neutrini deluju i kako ističu iz jezgra kolapsirajuće zvezde. 'Svoju ekspertizu je gradio vrlo sistematično, napadajući različite delove slagalice', priča fizičar Thomas Baumgarte s Bowdoin koledža, koji je poznavao Janku otprilike 20 godina.
Do 2005. Janka je razvio sofistikovaniji kôd za model koji je preciznije predstavljao oblik zvezde, iako je to još uvek bila samo aproksimacija. Po ovom modelu, nazvanom dvodimenzionalni tip, Janka je usavršio fiziku kretanja neutrina u vezi s protokom druge materije u zvezdi. Ali nedostajala mu je snaga računara za testiranje modela.
Tada je 2006. godine ponovo imao sreću. Izvršni direktor Instituta Max Planck pitao je Janku može li išta da učini sa 700.000 evra, u to vreme oko 875.000 dolara. Janka je kupio 96 najbržih dostupnih procesora od 1282 gigaherca. 'Računari su kontinuirano radili tri godine na tom problemu kako bi obradili samo jednu sekundu evolucije – od kolapsa jezgra supernove do 750 milisekundi nakon što je počela da se stvara neutronska zvezda u središtu', seća se Janka. Ovaj rad je doveo do prvog sofistikovanog 2-D modela džinovske zvezde in extremis – i ovog puta model zvezde je eksplodirao.
Jankina grupa je izradila vrlo složene fizičke jednačine za opisivanje neutrinskih interakcija i kako gas zvezde teče i stvara mehurove, pretvarajući Wilsonovu teorijsku viziju u daleko detaljniju i sofistikovaniju simulaciju.
Budući da je Janka pojednostavio oblik zvezde, njegov model nije u potpunosti rešio misteriju. Njegova grupa je uključila ono što su naučili o interakcijama neutrina u nove, najsavremenije modele koji ne idealizuju oblik zvezde. Janki je na raspolaganje dopao priličan udeo procesora dva ogromna superračunara, jednog u Parizu i drugog u Minhenu, snage 32.000 radnih stanica: zajedno su mogla da obave više od 100 triliona operacija u sekundi. No Janka se ponovno našao nasukan na ograničenju računarske snage. Ovi trodimenzionalni modeli su još bili u povojima i još nisu eksplodirali. Jankina grupa je pre nekoliko godina osvojila petogodišnju potporu u vrednosti od \)4 miliona kako bi njihov trodimenzionalni model dobio veću rezoluciju i potisnuo simulaciju 'unatrag u vremenu, a takođe i naprijed, povezujući model s posmatranim ostacima supernove'.
Janka 'radi vodeći posao' na ovom visokokonkurentnom polju, slaže se pionir za supernove Stanford Woosley sa univerziteta u Kaliforniji, Santa Cruz. Grupe sa univerziteta Princeton i Nacionalne laboratorije Oak Ridge, kako kaže, takođe su nadohvat ruke. 'Pobeda će pripasti onome ko uspe da mu trodimenzionalni model zvezde sa 15 solarnih masa [veličine 15 Sunaca] eksplodira sa pravom energijom', kaže Woosley, budući da je to veličina zvezde koja može sintetizovati elemente važne za život.
To je u krajnjem slučaju privlačnost ovih vatrenih enigmi. 'Kiseonik koji udišemo, gvožđe u krvi, ugljenik u biljkama, silicijum u pesku – svu materiju koja čini vas i Zemlju stvaraju i distribuiraju supernove', potseća Janka. Svi smo mi zvezdani potomci, iskovani od materije stvorene stotinama ili hiljadama svetlosnih godina od nas u titanskoj eksploziji gde je tajanstvena 'ghost čestica' nasilno obeležila svoju prisutnost.
DOUBLE TROUBLE
Širom sveta osmišljeno je nekoliko značajnih eksperimenata kako bi se ulovio neuhvatljivi neutrino tamo gde ga ne bi trebalo biti. U radioaktivnoj metamorfozi koja se naziva pojedinačno beta raspadanje, neutron (neutralna čestica) u jezgru nestabilnog atoma spontano se pretvara u proton (pozitivnu česticu), emitujući pritom elektron i antineutrino – neutrinovog antimaterijskog blizanca.
Jedna polovina komore Enriched Xenon Observatory (EXO) u čistoj sobi tokom konstrukcije u Novom Meksiku (SAD). EXO trenutno ima 200 kg tečnog ksenona (u svrhu scintilatora) u time projection komori (EXO-200) i radi vrlo ozbiljne eksperimente.
U dvostrukom beta raspadu (0νββ) interakcija je udvostručena: dva neutrona se istovremeno raspadaju na dva protona. Međutim, umesto da proizvedu dva elektrona i dva antineutrina, kao što bi se moglo očekivati, fizičari poput Giorgia Gratte sa univerziteta Stanford sumnjaju da se u nekim slučajevima neće emitovati antineutrini. To se može dogoditi jedino ako su neutrini sopstvene antičestice, gde bi u tom slučaju neutron emitovao antineutrino, a zatim – bio apsorbovan kao neutrino od neutrona.
Otkriće dvostrukog anti-identiteta neutrina[11], iako su ga mnogi fizičari očekivali, bilo bi u suprotnosti sa Standardnim modelom fizike čestica, trenutnom main streamu u shvatanju ponašanja čestica i fundamentalnih sila, što bi zahtevalo proširenje paradigme.
Ako raspad nestabilnog atoma stvara dva elektrona ali ne i antineutrino, fizičari će pronaći odlučne dokaze za to neuhvatljivo, ekscentrično ponašanje. Eksperimenti u Sjedinjenim Državama, poput Enriched Xenon Observatory 200 (EXO-200) u Novom Meksiku, kao i oni u Japanu i Evropi, pokušavaju da ulove ovu fantastično retku interakciju.
'Ljudi već dugo pokušavaju da otkriju ovo kritično raspadanje', kaže Gratta, vodeći naučnik u EXO.
DREVNE ZVEZDE I NOVOROĐENE CRNE RUPE
Izgrađen u dubinama (1000 metara) rudnika cinka u blizini grada Hido u Japanu, eksperiment Super-Kamiokande (Super-K) koji traje još od 1996. godine, traga za bljeskovima svetlosti Čerenkovljevog zračenjau rezervoaru najčistije vode na Zemlji od 50.000 tona.
Detektor Super-K se sastoji od 13.000 fotomultiplikatorskih cevi koji pomažu u detekciji najmanjeg traga svetlosti od interakcije sa neutrinom. Cilindrični rezervoar ima prečnik 39 m i visinu 42 m
Kada se niskoenergetski neutrino ili antineutrino iz supernove sudari s molekulom vode u rezervoaru, nastali svetlosni signal beleži oko 100 od 13.000 fotomultiplikatorskih cevi, ultraosetljivih uređaja za detekciju svetlosti, koje sićušni bljesak svetlosti pretvaraju u jasan snimak električne energije. Ali ponekad se javljaju lažni pozitivni rezultati: radioaktivni raspadovi u detektoru takođe proizvode svetlost, kao i neutrini proizvedeni u atmosferi kada se sudare s vodom.
Sada naučnici Super-K planiraju da 'ućutkaju' lažne pozitivne rezultate metodom koju su predložili fizičari John Beacom i Mark Vagins, a koja se fokusira na antineutrine koje proizvode supernove. Oni će u vodu u Super-K dodati 50 tona soli gadolinijuma (Gd), elementa iz grupe retkih zemalja, što će im omogućiti da razlikuju sudare s antineutrinima i drugim pretendentima koji emituju svetlost.
Kada se antineutrino sudari sa protonom iz vode u Super-K, taj se proton pretvara u neutron i trenutno emituje pozitivno nabijenu česticu koja odaje plavu svetlost dok se brzo kreće kroz vodu[12]. Gadolinijum hvata neutron oko 30 mikrosekundi nakon što je stvoren, apsorbujući ga u vlastito jezgro, što dovodi do trenutnog izbijanja gama zraka. Fotomultiplikatori prate čitavu sekvencu. Nijedna druga interakcija čestica ne bi dovela do takvog jedan-dva 'otkucaja srca'. Svetlost pri svakom 'otkucaju' otkriva dve stvari: prvi bljesak ukazuje na energiju antineutrina; drugi potvrđuje da je čestica bila antineutrino.
'Trenutno Super-Kamiokande može da otkriva neutrine iz eksplozija supernovi bilo gde u našoj galaksiji Mliječni put', kaže dr Vagins sa Kavli instituta za fiziku i matematiku univerzuma. 'Dodavanje gadolinijuma[13]učiniće detektor znatno osetljivijim, što će omogućiti da Super-K počne da beleži antineutrine iz eksplozija supernovi bilo gde unutar polovine poznatog kosmosa.' To bi uključivalo antineutrine manje energije koje je teže otkriti, a stvorile su ih masivne zvezde koje su eksplodirale pre milijardi godina. Dodavanje gadolinijuma 'omogućilo bi nam da odredimo ukupnu energiju i temperaturu prosečne supernove, dva ključna podatka u svim vrstama kosmoloških i zvezdanih evolutivnih modela', smatra Vagins.
Nazvan GADZOOKS! – Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande! – obogaćeni detektor, koji je trebalo da proradi 2017, takođe će imati veće šanse da ulovi rođenje crne rupe u ostacima zvezde koja eksplodira. Neutrini ne mogu da pobegnu iz crnih rupa, a superosetljivi Super-K može da otkrije iznenadni prekid toka neutrina. 'Super-K može da uoči crnu rupu kako nastaje nekoliko minuta ili čak sati nakon početnog kolapsa jezgra,' kaže Vagins.
LETOVI U VISINU
Posle prvih lansiranja 2007, balonski eksperiment ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) ponovljen je do danas još tri puta. Letevši na helijumskim balonima, eksperiment je detektovao izvore kosmičkih neutrina ultra visoke energije. Smatra se da su ovi neutrini rezultat kozmičkih zraka jako visoke energije (1020 eV) koji se pretvaraju u niskoenergetske nevidljive fotone zaostale od Velikog praska koji još uvek prožimaju kosmos. Ovi neutrini, sa energijama reda veličine 1018 eV, proizvode radio impulse u ledu zbog Askaryanovog efekta.
Do ove godine lansirana su četiri balona sa ANITA-om, koja su otkrila brojne neutrine koji su dolazili iznad eksperimenta, gde se radio talasi reflektiraju pre nego što dođu do antena ANITE. Dva događaja su imala potpise koji su pokazivali da su došli odozdo. Ti su događaji bili neočekivani, jer bi Zemlja trebala da apsorbuje većinu neutrina ove energije. Prateća studija eksperimenta IceCube, koji je osjetljiviji od ANITA-e i nalazi se duboko u ledu, nije otkrila nijedan neutrino iz smera prividnog izvora odozdo. Stoga se smatra da uočeni događaji potiču od kosmičkih zraka koje su se odbili od leda, ali iz neobjašnjivog razloga nisu promenile polarizaciju posle reflektovanja.
Kakva vrsta pojava stvara i pokreće izvore kosmičkih zraka tih neutrina? Možda hipernove – 'supernove na steroidima' – ili crna rupa koja se brzo okreće ili, što je još verovatnije, supermasivna crna rupa, kaže fizičar Peter Gorham sa univerziteta Hawaii, vodeći istraživač projekta.
Balone koje finansira NASA dižu se na oko 37.000 metara iznad ledene kape Antarktika. Kružeći iznad Južnog pola, ANITA-inih 40-ak antene istovremeno je skeniralo milion kubnih kilometara leda, tražeći radio talase koji se emituju kada neutrino ultra visoke energije pogodi nukleus u ledu.
TEŠKA PITANJA
Eksperiment NOvA sadrži 28 blokova detektora veličine 16×16 metara.
Pre šest godina američki fizičari su počeli da ispaljuju 150.000 milijardi neutrina u sekundi iz Fermijeve nacionalne akceleratorske laboratorije, zapadno od Čikaga, ka detektoru koji se nalazi ukopan na severu Minesote – podzemno putovanje od 810 km za koje im je trebalo samo 2,7 milisekundi.
Nazvan NOvA (NuMI Off-Axis νe Appearance), projekt se oslanjao na detektor težak 15.400 tona koji je sadržavao 11 miliona litara rastvora s materijalom poznatim kao scintilator. Scintilatori apsorbiraju energiju dolazećih čestica i emituju je u obliku svetlosti. Od bujice čestica koju je Fermilab slao, samo je oko 10 neutrina komuniciralo sa scintilatorom svake nedelje.
Više od 200 naučnika, inženjera i tehničara pomoglo je u konstruisanju i izgradnju Fermilabovog vodećeg eksperimenta proteklih desetak godina. Fizičar Mark Messier sa univerziteta Indiana, jedan od rukovodioca eksperimenta, kaže da je NOvA 'najbolji u preduzimanju sledećeg velikog koraka u otkrivanju novih svojstava neutrina'.
Messier kaže da je jedan od NOvA-nih ciljeva bio da pomogne u utvrđivanju koji je od tri miksa neutrinskih ukusa najteži a koji najlakši. Masa je fundamentalno, ali tajanstveno svojstvo neutrina koje utiče na mnoge teorije fizike, jer je poreklo neutrinskih masa još uvek nepoznato.
NOvA neutrini započinjali su u mionskom ukusu, ali su usput bili transformisani u elektronske neutrine. Neutrini s elektronskim ukusom posebni su jer mogu da komuniciraju sa Zemljom: oni sami mogu da stupaju u vezu sa elektronima u atomima. Ključno za NOvA je da što je veća masa ukusa elektronskog neutrina, to je verovatnije da će snop neutrina stupiti u interakciju sa stotinama kilometara materije kroz koju pređu na putu do detektora. 'Budući da elektroni u Zemlji 'vuku' na elektronske neutrine, to elektronskim neutrinima daje neku dodatnu masu', kaže Messier.
Taj efekat određuje brzinu transformacije neutrina. Ako elektronski neutrini imaju tendenciju da imaju najlakšu mešavinu masa, dodatna težina njegovih zemaljskih interakcija nateraće ih da se brže promeni u mionske neutrine, kaže Messier, referišući na talasno ponašanje tih čestica. S druge strane, ako elektronski neutrini sadrže najteže mase, dodatna masa uzrokovana Zemljom naterala bi ih da se manje mešaju s ostala dva neutrinska ukusa.
I u Japanu se sprovodi eksperimenat T2K, koji je sličan sa NOvA. Mlaz neutrona slabije energije nego u NOvA putuje kroz zemlju u dužini od 295 km. I druge razvijene zemlje bave se eksperimentima sa neutrinima: Kinezi (Daya Bay), Francuzi (Double Chooz), J. Korejanci (RENO) itd. Ima ih na desetine.
NEUTRINSKO ZLATO
- 1988: Leon Lederman, Melvin Schwartz i Jack Steinbergerdobitnici su Nobelove nagrade za fiziku za razvoj načina stvaranja snopova neutrina u kolajderu čestica i za otkrivanje mionskog neutrina.
- 1995: Frederick Reinesje dobio Nobela za otkrivanje neutrina u eksperimentu iz 1953. godine nazvanom Projekat Poltergeist. Clyde Cowan, njegov saradnik, umro je 21 godinu ranije.
- 2002: Raymond Davis, Jr.dobitnik je nagrade za otkrivanje neutrina sa Sunca koristeći 600 tona tečnosti za hemijsko čišćenje u ogromnom podzemnom rezervoaru u Južnoj Dakoti. Davis je podelio Nobela s Masatoshijem Koshibom, koji je gigantskim detektorom Kamiokande u Japanu potvrdio Davisove rezultate i uhvatio neutrine iz supernove koja je eksplodirala u susednoj galaksiji.
- 2015: Takaaki Kajita i Arthur B. McDonaldza eksperimente koji su pokazali da neutrini menjaju identitet
Stvaranje i propagiranje čestica ultravisokih energija kroz univerzum.
[1] Otprilike svake godine pišem po jednu priču o neutrinima. Ta istraživanja su sami vrh svetske nuklearne fizike i sve je teže išta razumeti, ali ja pišem pa ko razume shvatiće...
[2] U vreme kada smo otac i ja pisali našu enciklopediju, u svetu je vladalo mišljenje da su neutrini bez mase. Danas se smatra da ipak imaju diskretne mase, milion puta manju od elektrona, recimo < 2,14 × 10−37 kg.
[3] Svake sekunde kroz svaki cm2 našeg tela prođe oko 100 milijardi neutrina! Najveći deo njih potiče sa Sunca. Tokom života, kroz svakog od nas protutnji 1021 neutrina, od čega 1-2 pogode neku subatomsku česticu našeg tkiva.
[4] Slabe interakcije stvaraju neutrine u tri leptonska ukusa: elektronski neutrino (νe), mionski neutrino (νμ) i tau neutrino (ντ). Teorija kaže da tokom leta osciliraju između različitih ukusa. Recimo, elektron-neutrino proizveden u reakciji γ raspada može da se u udaljenom detektoru beleži kao mion ili tau neutrino.
[5] Kosmički zrak sa najvećom energijom imao je 3×1020 eV, ekvivalentno 12 kalorija, što je preko 10.000.000 puta više energije od one postignute u našim akceleratorima. Do sada je otkriveno samo 7 čestica slične energije. Nijedan mehanizam u našoj galaksiji nije sposoban da proizvede ovakvu energiju.
[6] IceCube je član sistema za rano upozoravanje na eksplozije supernovi SNEWS (Supernova Early Warning System).
[7] Ako bi se pola grama obične materije sudarilo sa pola grama antimaterije oslobodilo bi se 21,5 kilotona ekvivalentne energije. Srećom, za proizvodnju pola grama antimaterije trebalo bi stucati recimo $30.000 milijardi, inače bi već smislili bombe i slična sranja.
[8] Ovo je samo jedno od mišljenja, jer neki Nobelovci (recimo L. Lederman) smatraju drugačije, jer bi onda i strela vremena trebala da je suprotna a to u kvantnoj teoriiji fundamentalno menja stvari.
[9] Otprilike 2-3 sata pre nego što je svetlost eksplozije stigla do Zemlje, tri neutrinske opservatorije su uhvatile talas neutrina. Opservatorija Kamiokande II je u dva pulsa detektovala 12 antineutrina; IMB 8 antineutrina; i Baksan 5 antineutrina; u talasu koji je trajao kraće od 13 sekundi.
[10] Rukovodilac projekta za detekciju prvih neutrina iz supernove, dr Masatoshi Koshiba, podelio je 2002. Nobelovu nagradu za fiziku.
[11] U literaturi se opisuju dva tipa dvostrukog beta raspada: obično duplo β raspadanje i dvostruko β raspadanje bez neutrina. U običnom duplom β raspadanju, koje je uočeno kod nekoliko izotopa, iz raspadajućeg jezgra se emituju 2 elektrona i 2 elektronska antineutrina. U dvostrukom beta raspadu bez neutrina, pretpostavljenom procesu koji nikada nije zabeležen, emitovali bi se samo elektroni.
[12] Čestica se kreće brže od svetlosti u vodi, što je sporije od brzine svetlosti u vakuumu. Ona stvara svetlosni konus, koji je optički ekvivalent udarnog talasa pri probijanju zvučnog zida. Na osnovu detektovane svetlosti, određuje se pravac, brzina i ukus neutrina.
[13] Dodavanje je trebalo da počne krajem prošle ili početkom ove godine. Projekat je nazvan SK-Gd projekat.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
