Dlaczego fizycy polują na najdziwniejsze z cząstek Ghosta


Każdej sekundy każdego dnia jesteś bombardowany bilionami bilionów subatomowych cząstek, spływających z głębin kosmosu. Przebijają cię siłą kosmicznego huraganu, wybuchającego z prędkością prawie równą prędkości światła. Pochodzą z całego nieba, o każdej porze dnia i nocy. Wnikają w ziemskie pole magnetyczne i naszą ochronną atmosferę niczym masło.

A jednak włosy na czubku głowy nie są nawet potargane.

Co się dzieje?

Te maleńkie kule nazywane są neutrinami, termin stworzony w 1934 roku przez genialnego fizyka Enrico Fermiego. Słowo to jest niejasno włoski dla "mało neutralny", a ich istnienie zostało postawione hipotezę wyjaśnić bardzo ciekawą reakcję jądrową. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Czasami elementy czują się trochę … niestabilne. A jeśli pozostaną samotne zbyt długo, rozpadną się i przekształcą się w coś innego, coś nieco lżejszego w układzie okresowym. Ponadto wyskoczy mały elektron. Ale w latach dwudziestych ostrożne i szczegółowe obserwacje tych rozpadów znalazły małe, nużące rozbieżności. Całkowita energia na początku procesu była odrobinę większa niż energia wychodząca. Matematyka się nie sumowała. Dziwny.

Tak więc kilku fizyków wymyśliło zupełnie nową cząsteczkę z całego materiału. Coś, co zabrałoby brakującą energię. Coś małego, coś lekkiego, coś bez ładu. Coś, co mogłoby zostać niezauważone przez detektory.

Mały, neutralny. Neutrino.

Potrzeba było kolejnych kilkudziesięciu lat, aby potwierdzić ich istnienie – tak są śliskie, przebiegli i podstępne. Ale w 1956 roku neutrina dołączyły do ​​rosnącej rodziny znanych, zmierzonych, potwierdzonych cząstek.

A potem sprawy stały się dziwne.

Kłopoty zaczęły się parzyć wraz z odkryciem mionu, które przypadkowo nastąpiły mniej więcej w tym samym czasie, w którym idea neutrin zaczęła zyskiwać na znaczeniu: lata 30. XX wieku. Mion jest prawie jak elektron. To samo obciążenie. Ten sam spin. Ale jest inny w jeden kluczowy sposób: jest cięższy, ponad 200 razy masywniejszy niż jego rodzeństwo, elektron.

Mony biorą udział w swoich specyficznych reakcjach, ale nie utrzymują się długo. Ze względu na swoją imponującą masę, są one bardzo niestabilne i szybko rozpadają się w natryski mniejszych bitów ("szybko" oznacza tutaj w ciągu mikrosekundy lub dwóch).

To wszystko dobrze i dobrze, więc dlaczego miony biorą udział w historii neutrin?

Fizycy zauważyli, że reakcje rozkładu, które sugerowały istnienie neutrin, zawsze miały wyskakujący elektron, a nigdy mion. W innych reakcjach wyskakiwałyby miony, a nie elektrony. Aby wyjaśnić te odkrycia, dowodzili oni, że neutrina zawsze są połączone z elektronami w tych reakcjach zaniku (a nie z jakimkolwiek innym neutrinem), podczas gdy elektron, mion musi łączyć się z nieodkrytym jeszcze typem neutrino. W końcu Przyjazny elektronom neutrino nie byłby w stanie wyjaśnić obserwacji z wydarzeń mionowych. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

I tak trwało polowanie. I dalej. I dalej. Dopiero w 1962 roku fizycy ostatecznie dostali blokadę drugiego rodzaju neutrino. Pierwotnie był nazywany "neutretto", ale bardziej racjonalne głowy zwyciężyły, nazywając go neutrino mionowym, ponieważ zawsze sparował się z reakcjami z mionem.

Okay, więc dwa potwierdzone neutrina. Czy natura ma dla nas więcej do zaoferowania? W 1975 roku badacze z Stanford Linear Accelerator Center dzielnie przeszli przez góry monotonnych danych, aby odkryć istnienie jeszcze cięższego rodzeństwa dla zwinnego elektronu i mocnego mionu: potężnego tau, osiągającego równowartość 3 500 razy masy elektronu . To wielka cząstka!

Tak więc od razu stało się pytanie: jeśli istnieje rodzina trzech cząstek, elektron, mion i tau … czy może być trzecie neutrino, aby sparować z tym nowo odkrytym stworzeniem?

Może, może nie. Może są tylko dwa neutrina. Może są cztery. Może 17. Natura nie spełniła naszych oczekiwań wcześniej, więc nie ma powodu, aby zacząć teraz.

Pomijając wiele makabrycznych szczegółów, przez dziesięciolecia fizycy przekonali się, używając różnych eksperymentów i obserwacji, że trzecie neutrino powinno istnieć. Ale dopiero na przełomie tysiącleci, w 2000 r., Został opracowany specjalnie zaprojektowany eksperyment w Fermilab (zwany humorystycznie eksperymentem DONUT, dla bezpośredniej obserwacji NU Tau i nie, nie robię tego) wystarczająco potwierdzone obserwacje, aby słusznie domagać się wykrycia.

Dlaczego więc tak bardzo zależy nam na neutrinach? Dlaczego ścigaliśmy ich od ponad 70 lat, od czasów przed II wojną światową do epoki nowożytnej? Dlaczego pokolenia naukowców były tak zafascynowane tymi małymi, neutralnymi?

Powodem jest, że neutrina nadal żyją poza naszymi oczekiwaniami. Przez długi czas nie byliśmy nawet pewni, czy istnieją. Przez długi czas byliśmy przekonani, że są całkowicie bezmasowe, dopóki eksperymenty irytująco nie odkryły, że muszą mieć masę. Dokładnie "ile" pozostaje współczesnym problemem. A neutrina mają ten denerwujący zwyczaj zmiany charakteru podczas podróży. Zgadza się, ponieważ neutrino podróżuje w locie, może zamienić maski wśród trzech smaków.

Wciąż może istnieć dodatkowe neutrino, które nie bierze udziału w żadnych zwykłych interakcjach – coś, co znane jest jako sterylne neutrino, na które fizycy łowią łapczywie.

Innymi słowy, neutrina nieustannie rzucają wyzwanie wszystkiemu, co wiemy o fizyce. A jeśli jest jedna rzecz, której potrzebujemy, zarówno w przeszłości, jak iw przyszłości, jest to dobre wyzwanie.

Paul M. Sutter jest astrofizykiem w Uniwersytet Stanowy w Ohio, gospodarzem Zapytaj kosmitę i Space Radioi autor Twoje miejsce we wszechświecie.

Pierwotnie opublikowany w Nauka na żywo.