Το βραβείο Νόμπελ 2015 απονεμήθηκε για «την ανακάλυψη των ταλαντώσεων νετρίνων, που αποδεικνύουν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα».
Το 1998, ο Takaaki Kajita, τότε μέλος της συνεργασίας Super-Kamiokande, παρουσίασε δεδομένα που καταδεικνύουν την εξαφάνιση των ατμοσφαιρικών μου-νετρίνων, δηλαδή των νετρίνων που παράγονται από τις κοσμικές ακτίνες που περνούν από την ατμόσφαιρα, στο δρόμο τους προς τον ανιχνευτή. Το 2001, ο Arthur B. McDonald, διευθυντής του Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Collaboration, δημοσίευσε στοιχεία για τη μετατροπή των νετρίνων ηλιακών ηλεκτρονίων σε νετρίνα mu και tau. Αυτές οι ανακαλύψεις ήταν μεγάλης σημασίας και σημάδεψαν μια σημαντική ανακάλυψη στη σωματιδιακή φυσική. Οι ταλαντώσεις των νετρίνων και τα αλληλένδετα ζητήματα της φύσης των νετρίνων, της μάζας των νετρίνων και της πιθανότητας να σπάσει η συμμετρία του λόγου φορτίου των λεπτονίων είναι τα πιο σημαντικά ζητήματα της κοσμολογίας και της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων σήμερα.
Ζούμε σε έναν κόσμο νετρίνων. Χιλιάδες δισεκατομμύρια νετρίνα «ρέουν» μέσα από το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο. Δεν φαίνονται και δεν γίνονται αισθητά. Τα νετρίνα ορμούν στο διάστημα με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός και πρακτικά δεν αλληλεπιδρούν με την ύλη. Υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός πηγών νετρίνων τόσο στο διάστημα όσο και στη Γη. Μερικά νετρίνα γεννήθηκαν ως αποτέλεσμα της Μεγάλης Έκρηξης. Και τώρα οι πηγές των νετρίνων είναι οι εκρήξεις των σούπερ καινοφανών και η αποσύνθεση των υπεργιγάντων άστρων, καθώς και οι ραδιενεργές αντιδράσεις σε πυρηνικούς σταθμούς και οι διαδικασίες φυσικής ραδιενεργής αποσύνθεσης στη φύση. Έτσι, τα νετρίνα είναι τα δεύτερα πιο πολυάριθμα στοιχειώδη σωματίδια μετά τα φωτόνια, σωματίδια φωτός. Όμως, παρόλα αυτά, η ύπαρξή τους δεν είχε καθοριστεί για πολύ καιρό.
Η πιθανότητα ύπαρξης νετρίνων προτάθηκε από τον Αυστριακό φυσικό Βόλφγκανγκ Πάουλι ως μια προσπάθεια να εξηγήσει τον μετασχηματισμό της ενέργειας κατά τη διάσπαση βήτα (ένας τύπος ραδιενεργού διάσπασης ενός ατόμου με εκπομπή ηλεκτρονίων). Τον Δεκέμβριο του 1930, πρότεινε ότι μέρος της ενέργειας αφαιρέθηκε από ένα ηλεκτρικά ουδέτερο, ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδιο με πολύ χαμηλή μάζα (πιθανώς χωρίς μάζα). Ο ίδιος ο Pauli πίστευε στην ύπαρξη ενός τέτοιου σωματιδίου, αλλά ταυτόχρονα, κατάλαβε πόσο δύσκολο ήταν να ανιχνεύσει ένα σωματίδιο με τέτοιες παραμέτρους χρησιμοποιώντας πειραματικές μεθόδους φυσικής. Έγραψε σχετικά: «Έκανα ένα τρομερό πράγμα, υπέθεσα την ύπαρξη ενός σωματιδίου που δεν μπορούσε να ανιχνευθεί». Σύντομα, μετά την ανακάλυψη το 1932 ενός τεράστιου, ισχυρά αλληλεπιδρώντος σωματιδίου παρόμοιου με ένα πρωτόνιο, αλλά μόνο ουδέτερο (μέρος ενός ατόμου είναι ένα νετρόνιο), ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi πρότεινε να ονομάσει ο Pauli το άπιαστο στοιχειώδες σωματίδιο νετρίνο.
Η ευκαιρία ανίχνευσης νετρίνων εμφανίστηκε μόνο στα τέλη της δεκαετίας του '50, όταν κατασκευάστηκε ένας μεγάλος αριθμός πυρηνικών σταθμών και η ροή των νετρίνων αυξήθηκε σημαντικά. Το 1956, ο F. Rhines (επίσης αργότερα βραβευμένος με Νόμπελ το 1995) πραγματοποίησε ένα πείραμα για να εφαρμόσει την ιδέα του Σοβιετικού φυσικού B.M. Pontecorvo για την ανίχνευση νετρίνων και αντινετρίνων σε πυρηνικό αντιδραστήρα στη Νότια Καρολίνα. Ως αποτέλεσμα, έστειλε ένα τηλεγράφημα στον Wolfgang Pauli (μόλις ένα χρόνο πριν από το θάνατό του) ενημερώνοντάς τον ότι τα νετρίνα είχαν αφήσει ίχνη στον ανιχνευτή τους. Και ήδη το 1957 ο Β.Μ. Ο Pontecorvo δημοσίευσε μια άλλη πρωτοποριακή εργασία για τα νετρίνα, στην οποία πρωτοστάτησε στην ιδέα των ταλαντώσεων νετρίνων.
Από τη δεκαετία του '60, οι επιστήμονες έχουν αρχίσει ενεργά να αναπτύσσουν μια νέα επιστημονική κατεύθυνση - την αστρονομία των νετρίνων. Ένα από τα καθήκοντα ήταν να μετρήσει τον αριθμό των νετρίνων που παράγονται ως αποτέλεσμα των πυρηνικών αντιδράσεων στον Ήλιο. Αλλά οι προσπάθειες καταγραφής του εκτιμώμενου αριθμού νετρίνων στη Γη έδειξαν ότι περίπου τα δύο τρίτα των νετρίνων έλειπαν! Φυσικά, μπορεί να υπάρχουν λάθη στους υπολογισμούς που έγιναν. Αλλά μια πιθανή λύση ήταν ότι κάποια από τα νετρίνα άλλαξαν τον τύπο τους. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο που ισχύει επί του παρόντος στη σωματιδιακή φυσική (Εικόνα 1), υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων - τα νετρίνα ηλεκτρονίων, τα μου-νετρίνα και τα ταυ.
Εικόνα 1 - Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι μια θεωρητική κατασκευή στη σωματιδιακή φυσική που περιγράφει τις ηλεκτρομαγνητικές, ασθενείς και ισχυρές αλληλεπιδράσεις όλων των στοιχειωδών σωματιδίων. Το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν είναι μια θεωρία των πάντων γιατί δεν περιγράφει τη σκοτεινή ύλη, τη σκοτεινή ενέργεια και δεν περιλαμβάνει τη βαρύτητα. Περιέχει 6 λεπτόνια (ηλεκτρόνιο, μιόνιο, λεπτόνιο ταυ, νετρίνο ηλεκτρονίων, νετρίνο μιονίου και νετρίνο ταυ), 6 κουάρκ (u, d, s, c, b, t) και 12 αντίστοιχα αντισωματίδια. (http://elementy.ru/LHC/HEP/SM)
Κάθε τύπος νετρίνου αντιστοιχεί στον φορτισμένο συνεργάτη του - το ηλεκτρόνιο, και δύο άλλα βαρύτερα σωματίδια με μικρότερη διάρκεια ζωής - το μιόνιο και το ταυλεπτόνιο. Ως αποτέλεσμα των πυρηνικών αντιδράσεων στον Ήλιο, γεννιούνται μόνο νετρίνα ηλεκτρονίων και τα νετρίνα που λείπουν θα μπορούσαν να βρεθούν εάν, στο δρόμο τους προς τη Γη, τα νετρίνα ηλεκτρονίων μπορούσαν να μετατραπούν σε μ-νετρίνα και ταυ-νετρίνα.
Η αναζήτηση για νετρίνα βαθιά υπόγεια
Η αναζήτηση για νετρίνα πραγματοποιείται συνεχώς, μέρα και νύχτα, σε κολοσσιαίες εγκαταστάσεις που κατασκευάζονται βαθιά κάτω από το έδαφος για να εξαλείψουν τον εξωτερικό θόρυβο που δημιουργείται από την κοσμική ακτινοβολία και τις αυθόρμητες ραδιενεργές αντιδράσεις στο περιβάλλον. Είναι πολύ δύσκολο να διακρίνουμε τα σήματα μερικών πραγματικών ηλιακών νετρίνων από δισεκατομμύρια ψευδών.
Το Παρατηρητήριο Νετρονίων Super-Kamiokande κατασκευάστηκε το 1996 κάτω από το όρος Kamioka, 250 χλμ. βορειοδυτικά του Τόκιο. Ένα άλλο παρατηρητήριο, το Sudbury Neutrino Observatory (SNO), κατασκευάστηκε το 1999 σε ένα ορυχείο νικελίου κοντά στο Οντάριο.
Εικόνα 2 – Το Super-Kamiokande είναι ένας ατμοσφαιρικός ανιχνευτής νετρίνων. Όταν ένα νετρίνο αλληλεπιδρά με το νερό, δημιουργείται ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο. Αυτό οδηγεί στην εμφάνιση της ακτινοβολίας Cherenkov-Vavilov, η οποία καταγράφεται από ανιχνευτές φωτός. Το σχήμα και η ένταση του φάσματος ακτινοβολίας Cherenkov-Vavilov καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό του τύπου του σωματιδίου και από πού προήλθε.
Το Super-Kamiokande είναι ένας τεράστιος ανιχνευτής που κατασκευάστηκε σε βάθος 1000 μέτρων. Αποτελείται από μια δεξαμενή διαστάσεων 40 επί 40 μέτρων, γεμάτη με 50.000 τόνους νερού. Το νερό στη δεξαμενή είναι τόσο καθαρό που το φως μπορεί να ταξιδέψει 70 μέτρα πριν μειωθεί στο μισό η έντασή του. Σε μια κανονική πισίνα, αυτή η απόσταση είναι μόνο μερικά μέτρα. Στα πλαϊνά της δεξαμενής, στο πάνω και στο κάτω μέρος της, υπάρχουν 11.000 ανιχνευτές φωτός που σας επιτρέπουν να καταγράψετε την παραμικρή λάμψη φωτός στο νερό. Ένας μεγάλος αριθμός νετρίνων διέρχεται από μια δεξαμενή νερού, αλλά μόνο λίγα από αυτά αλληλεπιδρούν με άτομα ή/και ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια. Τα μιόνια σχηματίζονται από τα μ-νετρίνα και τα ηλεκτρόνια από τα νετρίνα ηλεκτρονίων. Γύρω από τα φορτισμένα σωματίδια που σχηματίζονται σχηματίζονται λάμψεις μπλε φωτός. Αυτή είναι η λεγόμενη ακτινοβολία Cherenkov-Vavilov, η οποία εμφανίζεται όταν τα φορτισμένα σωματίδια κινούνται με ταχύτητα που υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός σε ένα δεδομένο μέσο. Και αυτό δεν έρχεται σε αντίθεση με τη θεωρία του Αϊνστάιν, που λέει ότι τίποτα δεν μπορεί να κινηθεί πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός στο κενό. Στο νερό, η ταχύτητα του φωτός είναι μόνο το 70% της ταχύτητας του φωτός στο κενό και, επομένως, μπορεί να αποκλειστεί από την ταχύτητα ενός φορτισμένου σωματιδίου.
Όταν η κοσμική ακτινοβολία διέρχεται από τα στρώματα της ατμόσφαιρας, γεννιέται ένας μεγάλος αριθμός μ-νετρίνων, τα οποία πρέπει να ταξιδέψουν μόνο μερικές δεκάδες χιλιόμετρα μέχρι τον ανιχνευτή. Το Super-Kamiokande μπορεί να ανιχνεύσει τα mu-νετρίνα που προέρχονται απευθείας από την ατμόσφαιρα, καθώς και εκείνα τα νετρίνα που εισέρχονται στον ανιχνευτή από την αντίθετη πλευρά, περνώντας από όλο το πάχος της υδρογείου. Αναμενόταν ότι ο αριθμός των μ-νετρίνων που ανιχνεύονταν και στις δύο κατευθύνσεις θα ήταν ο ίδιος, επειδή το πάχος της γης δεν παρουσιάζει κανένα εμπόδιο στα νετρίνα. Ωστόσο, ο αριθμός των νετρίνων που χτυπούσαν το Super-Kamiokande απευθείας από την ατμόσφαιρα ήταν πολύ μεγαλύτερος. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων νετρίνων που έφτασαν και στις δύο κατευθύνσεις δεν διέφερε. Αποδεικνύεται ότι εκείνο το τμήμα του μου-νετρίνου που ταξίδεψε μια μακρύτερη διαδρομή μέσα στο πάχος της γης πιθανότατα με κάποιο τρόπο μετατράπηκε σε ταυ-νετρίνο. Ωστόσο, ήταν αδύνατο να καταγραφούν αυτοί οι μετασχηματισμοί απευθείας στο αστεροσκοπείο Super-Kamiokande.
Για να λάβουμε μια τελική απάντηση στην ερώτηση σχετικά με τη δυνατότητα μετασχηματισμών νετρίνων ή ταλαντώσεων νετρίνων, ένα άλλο πείραμα πραγματοποιήθηκε στο δεύτερο παρατηρητήριο νετρίνων, το Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury (Εικόνα 3). Χτίστηκε 2.000 μέτρα υπόγεια και εξοπλισμένο με 9.500 ανιχνευτές φωτός. Το παρατηρητήριο έχει σχεδιαστεί για να ανιχνεύει ηλιακά νετρίνα, των οποίων η ενέργεια είναι σημαντικά χαμηλότερη από εκείνη που παράγεται στα στρώματα της ατμόσφαιρας. Η δεξαμενή ήταν γεμάτη όχι μόνο με καθαρό νερό, αλλά με βαρύ νερό, στο οποίο κάθε άτομο υδρογόνου σε ένα μόριο νερού έχει ένα επιπλέον νετρόνιο. Έτσι, η πιθανότητα αλληλεπίδρασης νετρίνων με βαρέα άτομα υδρογόνου είναι πολύ μεγαλύτερη. Επιπλέον, η παρουσία βαρέων πυρήνων επιτρέπει στα νετρίνα να αλληλεπιδρούν με άλλες πυρηνικές αντιδράσεις και επομένως θα παρατηρούνται ελαφριές λάμψεις διαφορετικής έντασης. Ορισμένοι τύποι αντιδράσεων καθιστούν δυνατή την ανίχνευση όλων των τύπων νετρίνων, αλλά δυστυχώς, δεν επιτρέπουν την ακριβή διάκριση ενός τύπου από τον άλλο.
Εικόνα 3 - Το Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury είναι ένας ηλιακός ανιχνευτής νετρίνων. Οι αντιδράσεις μεταξύ βαρέων πυρήνων υδρογόνου και νετρίνων καθιστούν δυνατή την ταυτόχρονη ανίχνευση μόνο των νετρίνων ηλεκτρονίων και όλων των τύπων νετρίνων. (Εικόνες 2 και 3 από τον ιστότοπο της Επιτροπής Νόμπελ nobelprize.org και της Σουηδικής Ακαδημίας Επιστημών kva.se)
Μετά την έναρξη του πειράματος, το παρατηρητήριο εντόπισε 3 νετρίνα την ημέρα από τα 60 δισεκατομμύρια νετρίνα που έφταναν στη Γη από τον Ήλιο κάθε 1 cm2. Και παρόλα αυτά ήταν 3 φορές μικρότερος από τον υπολογισμένο αριθμό των ηλιακών νετρίνων ηλεκτρονίων. Ο συνολικός αριθμός όλων των τύπων νετρίνων που εντοπίστηκαν στο αστεροσκοπείο αντιστοιχούσε με υψηλή ακρίβεια στον αναμενόμενο αριθμό νετρίνων που εκπέμπονται από τον Ήλιο. Μια γενίκευση των πειραματικών αποτελεσμάτων δύο παρατηρητηρίων νετρίνων, η θεωρία που προτάθηκε από τον Pontecorvo σχετικά με τη θεμελιώδη δυνατότητα των ταλαντώσεων νετρίνων κατέστησε δυνατή την απόδειξη της ύπαρξης μετασχηματισμών νετρίνων στο δρόμο από τον Ήλιο στη Γη. Σε αυτά τα δύο παρατηρητήρια, το Super-Kamiokande και το Sudbury Neutrino Observatory, ελήφθησαν για πρώτη φορά τα περιγραφόμενα αποτελέσματα και η ερμηνεία τους προτάθηκε το 2001. Για να επαληθευτεί τελικά η ορθότητα των πειραμάτων, ένα χρόνο αργότερα, το 2002, ξεκίνησε το πείραμα KamLAND (Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector), στο οποίο χρησιμοποιήθηκε ένας αντιδραστήρας ως πηγή νετρονίων. Αρκετά χρόνια αργότερα, αφού συγκεντρώθηκαν επαρκείς στατιστικές, τα αποτελέσματα για τον μετασχηματισμό των νετρίνων επιβεβαιώθηκαν με υψηλή ακρίβεια.
Για να εξηγήσουν τον μηχανισμό των μετασχηματισμών νετρίνων ή των ταλαντώσεων των νετρίνων, οι επιστήμονες στράφηκαν στην κλασική θεωρία της κβαντικής μηχανικής. Η επίδραση του μετασχηματισμού των νετρίνων ηλεκτρονίων σε μου- και ταυ-νετρίνα προϋποθέτει, από την άποψη της κβαντικής μηχανικής, ότι τα νετρίνα έχουν μάζα, διαφορετικά αυτή η διαδικασία είναι αδύνατη ακόμη και θεωρητικά. Στην κβαντομηχανική, ένα σωματίδιο ορισμένης μάζας αντιστοιχεί σε ένα κύμα συγκεκριμένης συχνότητας. Τα νετρίνα είναι μια υπέρθεση κυμάτων, τα οποία αντιστοιχούν σε νετρίνα διαφορετικών τύπων με διαφορετικές μάζες. Όταν τα κύματα βρίσκονται σε φάση, είναι αδύνατο να διακρίνουμε έναν τύπο νετρίνου από τον άλλο. Αλλά κατά τη διάρκεια ενός σημαντικού χρόνου κίνησης των νετρίνων από τον Ήλιο στη Γη, μπορεί να συμβεί αποφασοποίηση των κυμάτων και στη συνέχεια είναι δυνατή η επακόλουθη υπέρθεση τους με διαφορετικό τρόπο. Τότε καθίσταται δυνατή η διάκριση ενός τύπου νετρίνου από τον άλλο. Αυτές οι περίεργες αλλαγές συμβαίνουν επειδή διαφορετικοί τύποι νετρίνων έχουν διαφορετικές μάζες, αλλά διαφέρουν κατά πολύ μικρή ποσότητα. Η μάζα ενός νετρίνου εκτιμάται ότι είναι εκατομμύρια φορές μικρότερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου - αυτό είναι ένα ασήμαντο ποσό. Ωστόσο, λόγω του γεγονότος ότι τα νετρίνα είναι πολύ κοινά σωματίδια, το άθροισμα των μαζών όλων των νετρίνων είναι περίπου ίσο με τη μάζα όλων των ορατών αστέρων.
Παρά τις τέτοιες επιτυχίες των φυσικών, πολλά ερωτήματα παραμένουν ακόμη άλυτα. Γιατί τα νετρίνα είναι τόσο ελαφριά; Υπάρχουν άλλοι τύποι νετρίνων; Γιατί τα νετρίνα είναι τόσο διαφορετικά από άλλα στοιχειώδη σωματίδια; Τα πειράματα συνεχίζονται και υπάρχει ελπίδα ότι θα αποκαλύψουν νέες ιδιότητες των νετρίνων και, ως εκ τούτου, θα μας φέρουν πιο κοντά στην κατανόηση της ιστορίας, της δομής και του μέλλοντος του Σύμπαντος.
Ετοιμάστηκε από υλικό από τον ιστότοπο nobelprize.org.
Δημοφιλή λογοτεχνία και πηγές
Θα πρέπει να προστεθεί ότι όλα αυτά τα αρχικά στοιχεία υπέρ των ταλαντώσεων νετρίνων ελήφθησαν σε «πειράματα εξαφάνισης». Αυτά είναι τα πειράματα όπου μετράμε τη ροή, βλέπουμε ότι είναι πιο αδύναμη από το αναμενόμενο και μαντεύουμε ότι τα νετρίνα που αναζητούμε έχουν μετατραπεί σε διαφορετική ποικιλία. Για να είστε πιο πειστικοί, πρέπει να δείτε την ίδια διαδικασία άμεσα, μέσω του «πειράματος για την εμφάνιση» των νετρίνων. Τέτοια πειράματα διεξάγονται επίσης τώρα και τα αποτελέσματά τους είναι συνεπή με τα πειράματα εξαφάνισης. Για παράδειγμα, στο CERN υπάρχει μια ειδική γραμμή επιταχυντή που «πυροβολεί» μια ισχυρή δέσμη μιονίων νετρίνων προς την κατεύθυνση του ιταλικού εργαστηρίου Gran Sasso, που βρίσκεται 732 χλμ. μακριά. Ο ανιχνευτής OPERA που είναι εγκατεστημένος στην Ιταλία αναζητά νετρίνα ταυ σε αυτό το ρεύμα. Κατά τη διάρκεια των πέντε ετών λειτουργίας, η OPERA έχει ήδη πιάσει πέντε ταυ νετρίνα, οπότε αυτό αποδεικνύει οριστικά την πραγματικότητα των ταλαντώσεων που ανακαλύφθηκαν προηγουμένως.
Πράξη δεύτερη: Ηλιακή ανωμαλία
Το δεύτερο μυστήριο της φυσικής των νετρίνων που απαιτούσε ανάλυση αφορούσε τα ηλιακά νετρίνα. Τα νετρίνα γεννιούνται στο κέντρο του Ήλιου κατά τη διάρκεια της θερμοπυρηνικής σύντηξης. Χάρη στη σύγχρονη αστροφυσική, γνωρίζουμε καλά τι πρέπει να συμβεί στο κέντρο του Ήλιου, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούμε να υπολογίσουμε τον ρυθμό παραγωγής νετρίνων εκεί και τη ροή τους που φτάνει στη Γη. Μετρώντας πειραματικά αυτή τη ροή (Εικ. 6), θα μπορέσουμε να κοιτάξουμε απευθείας στο κέντρο του Ήλιου για πρώτη φορά και να ελέγξουμε πόσο καλά κατανοούμε τη δομή και τη λειτουργία του.
Πειράματα για την ανίχνευση ηλιακών νετρίνων έχουν πραγματοποιηθεί από τη δεκαετία του 1960. μέρος του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής για το 2002 πήγε μόνο για αυτές τις παρατηρήσεις. Δεδομένου ότι η ενέργεια των ηλιακών νετρίνων είναι μικρή, της τάξης του MeV ή μικρότερη, ένας ανιχνευτής νετρίνων δεν μπορεί να καθορίσει την κατεύθυνσή τους, αλλά καταγράφει μόνο τον αριθμό των γεγονότων πυρηνικής μετατροπής που προκαλούνται από τα νετρίνα. Και εδώ, αμέσως προέκυψε ένα πρόβλημα και σταδιακά δυνάμωσε. Για παράδειγμα, το πείραμα Homestake, το οποίο λειτούργησε για περίπου 25 χρόνια, έδειξε ότι, παρά τις διακυμάνσεις, η ροή που κατέγραψε ήταν κατά μέσο όρο τρεις φορές μικρότερη από αυτή που προέβλεπαν οι αστροφυσικοί. Αυτά τα δεδομένα επιβεβαιώθηκαν στη δεκαετία του '90 από άλλα πειράματα, ιδιαίτερα τα Gallex και SAGE.
Η σιγουριά ότι ο ανιχνευτής λειτουργούσε σωστά ήταν τόσο μεγάλη που πολλοί φυσικοί είχαν την τάση να πιστεύουν ότι οι αστροφυσικές θεωρητικές προβλέψεις κάπου αποτυγχάνουν - οι διαδικασίες ήταν πολύ περίπλοκες στο κέντρο του Ήλιου. Ωστόσο, οι αστροφυσικοί βελτίωσαν το μοντέλο και επέμειναν στην αξιοπιστία των προβλέψεων. Έτσι, το πρόβλημα παρέμεινε και απαιτούσε εξήγηση.
Φυσικά και εδώ οι θεωρητικοί σκέφτονται εδώ και καιρό τις ταλαντώσεις νετρίνων. Θεωρήθηκε ότι στο δρόμο από το ηλιακό εσωτερικό, μερικά νετρίνα ηλεκτρονίων μετατρέπονται σε μιόνιο ή ταυ. Και δεδομένου ότι πειράματα όπως το Homestake και το GALLEX, λόγω του σχεδιασμού τους, πιάνουν αποκλειστικά νετρίνα ηλεκτρονίων, είναι υπομετρημένα. Επιπλέον, στη δεκαετία του 70-80, οι θεωρητικοί προέβλεψαν ότι τα νετρίνα που διαδίδονται μέσα στον Ήλιο θα πρέπει να ταλαντώνονται ελαφρώς διαφορετικά από ό,τι στο κενό (αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε φαινόμενο Mikheev-Smirnov-Wolfenstein), το οποίο θα μπορούσε επίσης να εξηγήσει την ηλιακή ανωμαλία.
Για να λυθεί το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων, ήταν απαραίτητο να κάνουμε ένα φαινομενικά απλό πράγμα: να φτιάξουμε έναν ανιχνευτή που θα μπορούσε να συλλάβει την πλήρη ροή όλων των τύπων νετρίνων, καθώς και, ξεχωριστά, τη ροή των νετρίνων ηλεκτρονίων. Τότε θα είναι δυνατό να διασφαλίσουμε ότι τα νετρίνα που παράγονται μέσα στον Ήλιο δεν εξαφανίζονται, αλλά απλώς αλλάζουν τον τύπο τους. Αλλά λόγω της χαμηλής ενέργειας των νετρίνων, αυτό ήταν προβληματικό: τελικά, δεν μπορούν να μετατραπούν σε μιόνιο ή ταυλεπτόνιο. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να τα αναζητήσουμε με άλλο τρόπο.
Ο ανιχνευτής Super-Kamiokande προσπάθησε να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας την ελαστική σκέδαση των νετρίνων στα ηλεκτρόνια ενός ατόμου και καταγράφοντας την ανάκρουση που δέχεται το ηλεκτρόνιο. Μια τέτοια διαδικασία, καταρχήν, είναι ευαίσθητη στα νετρίνα όλων των τύπων, αλλά λόγω των ιδιαιτεροτήτων της ασθενούς αλληλεπίδρασης, η συντριπτική συμβολή σε αυτήν προέρχεται από τα νετρίνα ηλεκτρονίων. Επομένως, η ευαισθησία στη συνολική ροή νετρίνων αποδείχθηκε ασθενής.
Και εδώ ένας άλλος ανιχνευτής νετρίνων, ο SNO, είπε την αποφασιστική λέξη. Σε αυτό, σε αντίθεση με το Super-Kamiokande, χρησιμοποιούσε όχι συνηθισμένο, αλλά βαρύ νερό που περιείχε δευτέριο. Ο πυρήνας του δευτερίου, το δευτερόνιο, είναι ένα ασθενώς συνδεδεμένο σύστημα πρωτονίου και νετρονίου. Από την κρούση ενός νετρίνου με ενέργεια πολλών MeV, ένα δευτερόνιο μπορεί να διασπαστεί σε πρωτόνιο και νετρόνιο: \(\nu + d \to \nu + p + n\). Αυτή η διαδικασία, που προκαλείται από το ουδέτερο συστατικό της ασθενούς αλληλεπίδρασης (φορέας - Ζ-μποζόνιο), έχει την ίδια ευαισθησία στα νετρίνα και των τριών τύπων, και ανιχνεύεται εύκολα από τη σύλληψη ενός νετρονίου από πυρήνες δευτερίου και την εκπομπή ενός γάμμα κβαντικό. Επιπλέον, το SNO μπορεί ξεχωριστά να ανιχνεύσει αμιγώς ηλεκτρονικά νετρίνα με τη διάσπαση ενός δευτερονίου σε δύο πρωτόνια, \(\nu_e + d \to e + p + p\), το οποίο συμβαίνει λόγω της φορτισμένης συνιστώσας των ασθενών αλληλεπιδράσεων (ο φορέας είναι το μποζόνιο W).
Η συνεργασία του SNO άρχισε να συλλέγει στατιστικά στοιχεία το 1998, και όταν είχαν συσσωρευτεί αρκετά δεδομένα, παρουσίασε τα αποτελέσματα της μέτρησης της συνολικής ροής νετρίνων και της συνιστώσας ηλεκτρονίων της σε δύο δημοσιεύσεις, το 2001 και το 2002 (βλ.: Μέτρηση του ρυθμού ν μι +ρε→σελ+σελ+μι σιΚαι ). Και κάπως ξαφνικά όλα μπήκαν στη θέση τους. Η συνολική ροή νετρίνων ταίριαζε πραγματικά με αυτό που προέβλεψε το ηλιακό μοντέλο. Το ηλεκτρονικό μέρος ήταν πράγματι μόνο το ένα τρίτο αυτής της ροής, σε συμφωνία με πολλά προηγούμενα πειράματα της προηγούμενης γενιάς. Έτσι, τα ηλιακά νετρίνα δεν χάθηκαν πουθενά - απλά, έχοντας γεννηθεί στο κέντρο του Ήλιου με τη μορφή νετρίνων ηλεκτρονίων, στην πραγματικότητα μετατράπηκαν σε νετρίνα διαφορετικού τύπου στο δρόμο τους προς τη Γη.
Πράξη τρίτη, συνέχεια
Στη συνέχεια, στις αρχές του αιώνα, πραγματοποιήθηκαν άλλα πειράματα νετρίνων. Και παρόλο που οι φυσικοί υποπτεύονταν από καιρό ότι τα νετρίνα ταλαντώνονται, ήταν ο Super-Kamiokande και ο SNO που παρουσίασαν αδιάψευστα επιχειρήματα - αυτή είναι η επιστημονική τους αξία. Μετά τα αποτελέσματά τους, μια μετάβαση φάσης συνέβη ξαφνικά στη φυσική των νετρίνων: τα προβλήματα που βασάνιζαν τους πάντες εξαφανίστηκαν και οι ταλαντώσεις έγιναν γεγονός, αντικείμενο πειραματικής έρευνας και όχι μόνο θεωρητικής συλλογιστικής. Η φυσική των νετρίνων έχει υποστεί εκρηκτική ανάπτυξη και είναι τώρα ένας από τους πιο ενεργούς τομείς της σωματιδιακής φυσικής. Νέες ανακαλύψεις γίνονται τακτικά εκεί, νέες πειραματικές εγκαταστάσεις εγκαινιάζονται σε όλο τον κόσμο - ανιχνευτές ατμοσφαιρικών, διαστημικών, αντιδραστήρων, νετρίνων επιταχυντών - και χιλιάδες θεωρητικοί προσπαθούν να βρουν υποδείξεις Νέας Φυσικής στις μετρούμενες παραμέτρους νετρίνων.
Είναι πιθανό ότι αργά ή γρήγορα θα είναι δυνατό σε μια τέτοια αναζήτηση να βρεθεί μια συγκεκριμένη θεωρία που θα αντικαταστήσει το Καθιερωμένο μοντέλο, θα συνδέσει πολλές παρατηρήσεις και θα μας επιτρέψει να εξηγήσουμε φυσικά τις μάζες και τις ταλαντώσεις των νετρίνων, τη σκοτεινή ύλη και την προέλευση του ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης στον κόσμο μας, και άλλα μυστήρια. Το ότι ο τομέας των νετρίνων έχει γίνει βασικός παράγοντας σε αυτήν την αναζήτηση οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο Super-Kamiokande και στο SNO.
Πηγές:
1) Συνεργασία Super-Kamiokande. Στοιχεία για ταλάντωση ατμοσφαιρικών νετρίνων // Phys. Στροφή μηχανής. Κάτοικος της Λατβίας. V. 81. Δημοσιεύθηκε 24 Αυγούστου 1998.
2) Συνεργασία SNO. Μέτρηση του Συντελεστή του ν μι +ρε→σελ+σελ+μι− Αλληλεπιδράσεις που παράγονται από 8 σιΗλιακά νετρίνα στο Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury // Phys. Στροφή μηχανής. Κάτοικος της Λατβίας. V. 87. Δημοσιεύθηκε στις 25 Ιουλίου 2001.
3) Συνεργασία SNO. Άμεσες αποδείξεις για τον μετασχηματισμό γεύσης νετρίνου από αλληλεπιδράσεις ουδέτερου ρεύματος στο Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury // Phys. Στροφή μηχανής. Κάτοικος της Λατβίας. V. 89. Δημοσιεύθηκε στις 13 Ιουνίου 2002.
ΣΤΟΚΧΟΛΜΗ, 6 Οκτωβρίου. /Κορρ. TASS Irina Dergacheva/. Το Νόμπελ Φυσικής 2015 απονεμήθηκε την Τρίτη στους Takaaki Kajita (Ιαπωνία) και Arthur MacDonald (Καναδάς) για την ανακάλυψη ότι τα νετρίνα ταλαντώνονται, υποδεικνύοντας ότι έχουν μάζα.
Αυτό ανακοίνωσε η Επιτροπή Νόμπελ στη Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών.
Το ποσό του βραβείου είναι ένα εκατομμύριο σουηδικές κορώνες, το οποίο είναι περίπου 8 εκατομμύρια ρούβλια με την τρέχουσα συναλλαγματική ισοτιμία. Η τελετή απονομής θα πραγματοποιηθεί την ημέρα του θανάτου του Άλφρεντ Νόμπελ, 10 Δεκεμβρίου, στη Στοκχόλμη.
Οι βραβευθέντες κατάφεραν να λύσουν ένα πρόβλημα με το οποίο οι φυσικοί πάλευαν για πολύ καιρό. Απέδειξαν ότι τα σωματίδια νετρίνων έχουν μάζα, αν και πολύ μικρή. Αυτή η ανακάλυψη ονομάζεται epoch-making για τη σωματιδιακή φυσική.
«Αυτή η ανακάλυψη άλλαξε την κατανόησή μας για την εσωτερική δομή της ύλης και μπορεί να αποδειχθεί καθοριστική για την κατανόησή μας για το Σύμπαν», εξήγησε η επιτροπή.
Το νετρίνο είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο που είναι «υπεύθυνο» για μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, δηλαδή την ασθενή αλληλεπίδραση. Βρίσκεται στη βάση της ραδιενεργής αποσύνθεσης.
Υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων: τα νετρίνα ηλεκτρονίων, μιονίων και ταυ. Το 1957, ο Ιταλός και Σοβιετικός φυσικός Bruno Pontecorvo, ο οποίος εργάστηκε στη Dubna, προέβλεψε ότι τα νετρίνα διαφορετικών τύπων μπορούν να μεταμορφωθούν το ένα στο άλλο - αυτή η διαδικασία ονομάζεται ταλαντώσεις στοιχειωδών σωματιδίων. Ωστόσο, στην περίπτωση των νετρίνων, η ύπαρξη ταλαντώσεων είναι δυνατή μόνο εάν αυτά τα σωματίδια έχουν μάζα και από την ανακάλυψή τους, οι φυσικοί πίστευαν ότι τα νετρίνα είναι σωματίδια χωρίς μάζα.
Η εικασία των επιστημόνων επιβεβαιώθηκε πειραματικά ταυτόχρονα από ιαπωνικές και καναδικές ομάδες ερευνητών με επικεφαλής, αντίστοιχα, τους Takaaki Kajita και Arthur MacDonald.
Ο Kajita γεννήθηκε το 1959 και σήμερα εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο. Ο MacDonald γεννήθηκε το 1943 και εργάζεται στο Queen's University στο Kingston του Καναδά.
Ο φυσικός Vadim Bednyakov για την ταλάντωση νετρίνων
Σχεδόν ταυτόχρονα, μια ομάδα φυσικών με επικεφαλής τον δεύτερο βραβευμένο Arthur MacDonald ανέλυσε δεδομένα από το καναδικό πείραμα SNO που συλλέχθηκαν στο Παρατηρητήριο Sudbury. Το αστεροσκοπείο παρατήρησε ρεύματα νετρίνων που πετούσαν από τον Ήλιο. Το αστέρι εκπέμπει ισχυρά ρεύματα ηλεκτρονίων νετρίνων, αλλά σε όλα τα πειράματα οι επιστήμονες παρατήρησαν την απώλεια περίπου των μισών σωματιδίων.
Κατά τη διάρκεια του πειράματος SNO, αποδείχθηκε ότι ταυτόχρονα με την εξαφάνιση των νετρίνων ηλεκτρονίων, εμφανίζεται περίπου ο ίδιος αριθμός ταυ νετρίνων στο ρεύμα της δέσμης. Δηλαδή, ο McDonald και οι συνεργάτες του απέδειξαν ότι οι ταλαντώσεις των ηλιακών νετρίνων ηλεκτρονίων συμβαίνουν σε ταυ.
Για να αποδειχτεί ότι τα νετρίνα έχουν μάζα απαιτείται η επανεγγραφή του Καθιερωμένου Μοντέλου, της βασικής θεωρίας που εξηγεί τις ιδιότητες όλων των γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων και τις αλληλεπιδράσεις τους.
Το 2014, το πιο διάσημο επιστημονικό βραβείο στη φυσική απονεμήθηκε στους Ιάπωνες επιστήμονες Isamu Akasaki, Hiroshi Amano και Suji Nakamura για την εφεύρεση των διόδων εκπομπής μπλε φωτός (LED).
Σχετικά με το βραβείο
Σύμφωνα με τη διαθήκη του Άλφρεντ Νόμπελ, το βραβείο φυσικής θα πρέπει να απονέμεται «σε όποιον κάνει τη σημαντικότερη ανακάλυψη ή εφεύρεση» σε αυτόν τον τομέα. Το βραβείο απονέμεται από τη Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών, που εδρεύει στη Στοκχόλμη. Το σώμα εργασίας της είναι η Επιτροπή Νόμπελ Φυσικής, τα μέλη της οποίας εκλέγονται από την ακαδημία για τρία χρόνια.
Το πρώτο βραβείο έλαβε το 1901 από τον William Roentgen (Γερμανία) για την ανακάλυψη της ακτινοβολίας που πήρε το όνομά του. Μεταξύ των πιο διάσημων βραβευθέντων είναι ο Joseph Thomson (Μεγάλη Βρετανία), που αναγνωρίστηκε το 1906 για την έρευνά του σχετικά με τη διέλευση του ηλεκτρισμού μέσω του αερίου. Albert Einstein (Γερμανία), ο οποίος έλαβε το βραβείο το 1921 για την ανακάλυψη του νόμου του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Niels Bohr (Δανία), βραβευμένος το 1922 για την ατομική του έρευνα. John Bardeen (ΗΠΑ), δύο φορές νικητής του βραβείου (1956 - για την έρευνα στους ημιαγωγούς και την ανακάλυψη του φαινομένου του τρανζίστορ, 1972 - για τη δημιουργία της θεωρίας της υπεραγωγιμότητας).
Επιστήμονες από διαφορετικές χώρες έχουν το δικαίωμα να προτείνουν υποψηφίους για το βραβείο, συμπεριλαμβανομένων μελών της Βασιλικής Σουηδικής Ακαδημίας Επιστημών και βραβευθέντων με βραβείο Νόμπελ φυσικής που έχουν λάβει ειδικές προσκλήσεις από την επιτροπή. Οι υποψήφιοι μπορούν να προταθούν από τον Σεπτέμβριο έως τις 31 Ιανουαρίου του επόμενου έτους. Στη συνέχεια, η Επιτροπή Νόμπελ, με τη βοήθεια επιστημονικών ειδικών, επιλέγει τους πιο άξιους υποψηφίους και στις αρχές Οκτωβρίου η Ακαδημία επιλέγει τον βραβευμένο με πλειοψηφία.
Ρώσοι επιστήμονες έχουν κερδίσει το Νόμπελ Φυσικής δέκα φορές. Έτσι, το 2000, ο Zhores Alferov το βραβεύτηκε για την ανάπτυξη της έννοιας των ετεροδομών ημιαγωγών για οπτοηλεκτρονική υψηλής ταχύτητας. Το 2003, ο Alexey Abrikosov και ο Vitaly Ginzburg, μαζί με τον Βρετανό Anthony Leggett, έλαβαν αυτό το βραβείο για την καινοτόμο συνεισφορά τους στη θεωρία των υπεραγωγών. Το 2010, ο Konstantin Novoselov και ο Andre Geim, που τώρα εργάζονται στο Ηνωμένο Βασίλειο, βραβεύτηκαν για τη δημιουργία του λεπτότερου υλικού στον κόσμο - γραφενίου.
Φυσικοί, βραβευθέντες Βραβείο Νόμπελ 2015, ανακάλυψε το φαινόμενο, ασυμβίβαστοςμε γενικά αποδεκτό Τυποποιημένο μοντέλο στοιχειωδών σωματιδίων. Ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, το επιβεβαίωσαν πειραματικά τα νετρίνα έχουν μάζα. Ο μηχανισμός Higgs του σχηματισμού μαζών στοιχειωδών σωματιδίων δεν μπορεί να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, τα νετρίνα δεν πρέπει να έχουν μάζα.
Προκύπτουν πολλά ερωτήματα και ανοίγεται ένα ευρύ πεδίο για νέα έρευνα.
Πίσω μέσα δεκαετία του '60τον περασμένο αιώνα Μπρούνο Ποντέκορβο, διάσημος Ιταλός και σοβιέτ(μετανάστευσε σε ΕΣΣΔτο 1950) φυσικός, που εργάστηκε σε Κοινό Ινστιτούτο Πυρηνικής Έρευνας V Ντούμπνα, πρότεινε ότι τα νετρίνα έχουν μάζα και πρότεινε την ιδέα ενός πειράματος για να ελεγχθεί αυτή η υπόθεση. Η απόδειξη της παρουσίας μάζας στα νετρίνα μπορεί να παρατηρηθεί παρατηρώντας τις ταλαντώσεις τους. Οι ταλαντώσεις είναι επαναλαμβανόμενες διαδικασίες στην κατάσταση ενός συστήματος.
Για τα νετρίνα αυτό είναι επαναλαμβανόμενος μετασχηματισμός τριών τύπων νετρίνων(ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ νετρίνα) το ένα μέσα στο άλλο. Προέκυψε από τη θεωρία ότι η διάρκεια των περιόδων ταλάντωσης καθορίζεται από τη διαφορά στα τετράγωνα των μαζών των νετρίνων που περνούν από τον έναν τύπο στον άλλο. Θεωρήθηκε ότι το νετρίνο ηλεκτρονίων είχε τη μικρότερη μάζα, το νετρίνο μιονίων είχε λίγο περισσότερη και το νετρίνο ταυ είχε ακόμη περισσότερη. Παρατηρώντας τις ταλαντώσεις, είναι δυνατό να εκτιμηθεί η διαφορά στα τετράγωνα των μαζών και έτσι να αποδειχθεί ότι υπάρχουν μάζες νετρίνων, αλλά σε αυτό το πείραμα είναι αδύνατο να εκτιμηθεί η τιμή των μαζών κάθε τύπου νετρίνων χωριστά.
Βραβευμένη με Νόμπελ Άρθουρ ΜακΝτόναλντμελέτησε τη ροή των ηλιακών νετρίνων στο Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury στον Καναδά. Οι ροές νετρίνων από τον Ήλιο έχουν μελετηθεί πολλές φορές σε διάφορα υπόγεια παρατηρητήρια σε όλο τον κόσμο και πάντα αποδεικνύεται ότι η παρατηρούμενη ροή νετρίνων είναι τρεις φορές μικρότερη από την αναμενόμενη. Η αναμενόμενη ροή υπολογίστηκε σύμφωνα με την απόδοση νετρίνων από θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στον ηλιακό πυρήνα. Ως αποτέλεσμα αυτών των αντιδράσεων, ένα ρεύμα ηλεκτρονίων νετρίνων ρέει έξω από τον Ήλιο. Ήταν αυτό το είδος νετρίνου που οι ανιχνευτές μπόρεσαν να ανιχνεύσουν. Εδώ και καιρό υποτίθεται ότι στο δρόμο τους από τον Ήλιο, τα νετρίνα μπορούν να μετασχηματιστούν από ηλεκτρόνιο σε άλλους τύπους. Ο Άρθουρ ΜακΝτόναλντ μπόρεσε να παρατηρήσει τις ροές και των τριών τύπων νετρίνων και να δείξει ότι συνολικά αντιστοιχούσαν σε αυτό που αναμενόταν. Αποδείχθηκε ότι η περίοδος των ταλαντώσεων είναι μικρότερη από το χρόνο που χρειάζεται για να ταξιδέψει η ροή των νετρίνων από τον Ήλιο στη Γη, και κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου ένας μεγάλος αριθμός νετρίνων ηλεκτρονίων καταφέρνει να μετατραπεί σε μιόνιο και ταυ. Έτσι, ανακαλύφθηκε πειραματικά η διαδικασία των ταλαντώσεων και, κατά συνέπεια, επιβεβαιώθηκε ότι το νετρίνο έχει μάζα.
Βραβευμένη με Νόμπελ Takaaki Khajiitπραγματοποίησε παρατηρήσεις νετρίνων υψηλής ενέργειας στο τηλεσκόπιο νετρίνων Super-Kamiokande. Τα νετρίνα υψηλής ενέργειας προκύπτουν στην ατμόσφαιρα της Γης ως αποτέλεσμα της δράσης των κοσμικών ακτίνων. Το πείραμα συνίστατο στη σύγκριση των ροών των μιονικών νετρίνων που φτάνουν στον ανιχνευτή απευθείας από την ατμόσφαιρα με τη ροή των νετρίνων από την αντίθετη πλευρά της Γης, περνώντας από όλο το πάχος της Γης στον ανιχνευτή. Αποδείχθηκε ότι στο δεύτερο ρεύμα μερικά από τα νετρίνα μιονίων μετατράπηκαν σε ηλεκτρόνια. Έτσι, αποδείχθηκε ανεξάρτητα ότι οι ταλαντώσεις συμβαίνουν σε ροές νετρίνων και, επομένως, τα νετρίνα έχουν μάζα.
Στην πραγματικότητα, τόσο οι ίδιες οι διαδικασίες όσο και οι παρατηρήσεις τους είναι πολλές τάξεις μεγέθους πιο περίπλοκες από αυτές που περιγράφονται σε αυτό το κείμενο.
