Zašto fizičari lovu na najčudnije čestice duhova


Svake sekunde svakog pojedinog dana bombardiraju vas trilijune na trilijune subatomskih čestica, koje se tuširaju iz dubine svemira. Puše kroz vas snagom kozmičkog uragana, koji se bacaju gotovo brzinom svjetlosti. Dolaze sa svih strana neba, u svako doba dana i noći. Oni prodiru u Zemljino magnetsko polje i našu zaštitnu atmosferu poput toliko maslaca.

A ipak, kosa na vrhu vaše glave nije ni naborana.

Što se događa?

Ti maleni metci nazivaju se neutrinom, izrazom koji je 1934. skovao sjajni fizičar Enrico Fermi. Riječ je pomalo talijanska za "malo neutralnu", a njihovo postojanje je pretpostavljeno da objasni vrlo neobično nuklearnu reakciju. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Ponekad se elementi osjećaju malo … nestabilni. A ako su ostavljeni na miru predugo, raspadaju se i transformiraju u nešto drugo, nešto malo lakše na periodni sustav. Osim toga, pojavio bi se i mali elektron. No, dvadesetih godina 20. stoljeća pažljivo i detaljno promatranje tih raspada otkrilo je sitne, neugodne razlike. Ukupna energija na početku procesa bila je malo veća od energije koja je izlazila. Matematika se nije zbrojila. Neparan.

Tako je nekoliko fizičara izmislilo novu česticu iz cijele tkanine. Nešto što će odnijeti nestalu energiju. Nešto malo, nešto svjetlo, nešto bez naknade. Nešto što bi moglo proći kroz njihove detektore neopaženo.

Malo, neutralno. Neutrin.

Trebalo je još nekoliko desetljeća da potvrdimo njihovo postojanje – tako su skliznuti i lukavi i podli. Ali 1956. neutrini su se pridružili rastućoj obitelji poznatih, izmjerenih, potvrđenih čestica.

A onda su stvari postale čudne.

Nevolje su se počele stvarati otkrićem mjuona, koji se slučajno dogodio otprilike u isto vrijeme kada je ideja o neutrinu počela dobivati ​​zemlju: 1930-te. Mion je gotovo jednako kao i elektron. Ista naplata. Isti spin. Ali to je drugačije na jedan presudan način: to je teže, preko 200 puta masivnije od svog brata, elektrona.

Muoni sudjeluju u svojim vlastitim određenim vrstama reakcija, ali ne traju dugo. Zbog svoje impresivne mase, vrlo su nestabilni i brzo propadaju u tuševe manjih bitova ("brzo" ovdje znači unutar mikrosekunde ili dvije).

To je sve dobro i dobro, pa zašto se muoni pojavljuju u priči o neutrinu?

Fizičari su primijetili da su reakcije raspadanja koje su ukazivale na postojanje neutrina uvijek imale elektron koji je izletio, a nikad muon. U drugim reakcijama bi se pojavili mioni, a ne elektroni. Da bi objasnili ove nalaze, zaključili su da se neutrini uvijek podudaraju s elektronima u tim reakcijama raspadanja (a ne bilo koje druge vrste neutrina), dok se elektron, mion mora pariti s još neotkrivenim tipom neutrina. elektron-prijateljski neutrino ne bi mogao objasniti opažanja iz mjuonskih događaja. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

I tako se nastavio lov. I dalje. I dalje. Tek 1962. godine fizičari su napokon dobili bravu druge vrste neutrina. Izvorno je nazvan "neutreto", ali racionalnije glave prevladavale su shemom nazivanja muon-neutrino, jer se uvijek uparila u reakcijama s mionom.

U redu, dva potvrđena neutrina. Je li priroda za nas imala više? Godine 1975. istraživači na Stanford Linear Accelerator Centru hrabro su prosijali planine monotonih podataka kako bi otkrili postojanje još težeg brata na brzom elektronu i obilnim muonima: golemom tauu, koji je mjerio 3,500 puta veću masu elektrona , To je velika čestica!

Tako je odmah postalo pitanje: ako postoji obitelj od tri čestice, elektron, mjuon i tau… može li postojati treći neutrino, koji će se upariti s ovim novonastalim stvorenjem?

Možda možda ne. Možda postoje samo dva neutrina. Možda ih ima četiri. Možda 17. Priroda nije točno ispunila naša očekivanja prije, tako da nema razloga za početak.

Fizičari su tijekom desetljeća, preskačući mnogo groznih detalja, uvjerili sebe da koriste različite eksperimente i zapažanja da treće neutrino treba postojati. Ali tek krajem tisućljeća, 2000. godine, posebno dizajnirani eksperiment u Fermilabu (koji je humorno nazvao DONUT eksperiment, za izravno promatranje NU Taua, i ne, to ne činim) konačno je dobio. dovoljno potvrđenih viđenja kako bi ispravno tvrdili da su otkriveni.

Pa, zašto nam je toliko stalo do neutrina? Zašto smo ih jurili više od 70 godina, od prije Drugog svjetskog rata do modernog doba? Zašto su generacije znanstvenika toliko fascinirane tim malim, neutralnim?

Razlog tome je što neutrini i dalje žive izvan naših očekivanja. Dugo vremena nismo bili sigurni ni da postoje. Dugo smo bili uvjereni da su potpuno bezmasni, dok eksperimenti ne bi dosadno otkrili da moraju imati masu. Točno "koliko" ostaje moderan problem. I neutrini imaju ovu dosadnu naviku mijenjanja karaktera dok putuju. Tako je, kao što neutrino putuje u letu, može zamijeniti maske među tri okusa.

Može se dogoditi da još uvijek postoji dodatni neutrino koji ne sudjeluje u bilo kakvim uobičajenim interakcijama – nešto što je poznato kao sterilni neutrino, za kojim fizičari gladno love.

Drugim riječima, neutrini neprestano izazivaju sve što znamo o fizici. A ako postoji jedna stvar koja nam je potrebna, kako u prošlosti tako iu budućnosti, to je dobar izazov.

Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin Pitajte svemirca i Svemirski radio, i autor Vaše mjesto u svemiru,

Izvorno objavljeno dana Live Science,