Nevtrino – delec, ki so mu odvzeli brezčasnost in mu našli maso

    Vsako sekundo preleti naše telo nekaj trilijonov zelo majhnih delcev, za katere je naše telo povsem prosojno. Imenujejo se nevtrini in čeprav so zelo številni, jih je neverjetno težko zaznati. Od prve hipoteze o obstoju nevtrinov je sicer minilo že več kot sedem desetletij, a nevtrinska fizika je doživela vrhunec šele pred nekaj leti, ko je znanstvenikom uspelo pokazati, da nevtrini niso nespremenljivi brezmasni delci, ki zamrznjeni v času s svetlobno hitrostjo drvijo po vesolju, ampak imajo zelo majhno maso, kar pomeni, da se lahko tudi spreminjajo.

    Paulijeva ideja nevidnega delca

    Leta 1930 je imel mladi fizik Wolfgang Pauli pomembno idejo. Takratni znanstveniki, ki so se ukvarjali z raziskovanjem radioaktivnosti, so se namreč soočali s težavo. Enačba o ohranitvi energije se jim pri enem od radioaktivnih razpadov ni izšla. Nekaj je bilo narobe. Da bi Pauli rešil problem, je postavil hipotezo, po kateri naj bi bil pri radioaktivnem razpadu udeležen še en neznani delec. Tega hipotetičnega nevidnega delca pri samem razpadu sicer ne opazimo, vendar odnese s seboj nekaj energije. Z njegovo pomočjo so se tudi energijske enačbe celotne reakcije izšle. Neznani delec je Enrico Fermi poimenoval nevtrino – mali nevtralni delec, ker ni imel električnega naboja.

    Podzemni števec nevtrinov

    V sredini šestdesetih let prejšnjega stoletja sta ameriška fizika Raymond Davis in John Bahcall predlagala študijo nevtrinov, ki jih kot stranski produkt jedrskih reakcij seva naše Sonce. Tako se Bahcall spominja začetkov raziskave: »Zame in za Raya je bil velik izziv, da bi lahko pogledala v zvezdo na enak način, kot zdravniki gledajo v telo s pomočjo ultrazvoka ali rentgena. Nekaj podobnega sva želela narediti z nevtrini: z njihovo pomočjo sva želela pogledati v Sonce in preveriti, kako se tam odvijajo jedrske reakcije. /…/ Sonce ves čas seva ogromne količine nevtrinov. Vsako sekundo, vsakega dne, skozi vsa leta moj ali vaš palec preleti sto milijard solarnih nevtrinov, ne da bi to kdajkoli opazili.« (PBS – The Ghost Particle)

    Bahcall je izračunal, koliko nevtrinov proizvedejo reakcije na Soncu, Ray Davies pa se je lotil štetja, koliko nevtrinov zares prihaja s Sonca na Zemljo. Da bi odstranil vse neželene vplive, je eksperiment postavil globoko pod površje Zemlje, v rudnik zlata na območju Južne Dakote v ZDA. Osrčje poskusa je bil lovilec nevtrinov v obliki cisterne s 600 tonami čistilne tekočine. Bistvena sestavina lovilca nevtrinov so bili namreč klorovi atomi, ki jih je veliko prav v čistilih.

    Iskanje igle v kopici sena

    Davisova zamisel poskusa je bila preprosta. Ker je nevtrinov res ogromno, se občasno zgodi, da kateri od tistih, ki drvijo skozi podzemno cisterno, polno čistilnega sredstva, trči v klorov atom in povzroči, da se klor spremeni v radioaktivni argon. Več kot potuje nevtrinov skozi detektor, poln klorove tekočine, več klorovih atomov se bo spremenilo v argonove. Če nam uspe sproti šteti nastajanje argonovih atomov, posredno štejemo tudi nevtrine, ki prihajajo s Sonca in potujejo skozi detektor.

    Poskus je zahteval zelo natančno meritev, saj nevtrini kljub temu, da jih je ogromno, zelo redko povzročijo spremembo klorovega atoma v argon. Čeprav je vsako sekundo detektor preletelo na trilijone nevtrinov, naj bi po Bahcallovih izračunih v enem tednu vsa podzemna cisterna pridelala samo deset argonovih atomov. Najti tako majhno količino atomov v velikanski podzemni cisterni pa nikakor ni lahka naloga.

    Kjer so manjkajoči delci?

    Rayu Davisu je vseeno uspelo vsakih nekaj tednov iz velikega rezervoarja klorove tekočine posrkati argon, ga prepeljati v laboratorij in natančno prešteti posamezne atome. A že kmalu se je izkazalo, da poskus ne potrjuje napovedi. Po Bahcallovih izračunih bi moralo vsak teden nastati deset atomov argona, Ray pa je naštel samo tri. Dve tretjini napovedanih nevtrinov je manjkalo.

    Večina fizikov je bila prepričanih, da je težava nekje v Davisovem poskusu. Šteti tako majhne količine atomov v tako veliki cisterni se sliši skoraj nemogoče. Zato ni bilo nič nenavadnega, da je bila znanstvena javnost prepričana, da mora Davis samo izboljšati natančnost svojega eksperimenta, pa bo našel dovolj nevtrinov.

    Vendar izboljšave poskusa problema niso rešile. Pri poskusu so zaznali le tretjino nevtrinov, ki jih je napovedala teorija. Težava pa je bila, da jim ne pri izvedbi poskusa ne pri izračunu teoretične napovedi napake ni uspelo najti. Anomalija solarnih nevtrinov je dolgo časa veljala za enega pomembnejših problemov moderne fizike.

    Ali nevtrini občutijo čas?

    Po splošno sprejeti teoriji fizike osnovnih delcev obstajajo tri različne vrste nevtrinov: elektronski, mionski in tauonski nevtrini. Hkrati pa je Davis izmeril le tretjino s teorijo napovedanih delcev. Hitro so se pojavila ugibanja, da se številka tri ne pojavlja v teoriji in pri poskusu po naključju. Če bi obstajal način, da se nevtrini med potovanjem skozi prostor spreminjajo iz ene vrste v drugo, bi to lahko pojasnilo, zakaj z detektorji najdejo le tretjino teoretično napovedanih nevtrinov. Če se nevtrini lahko spreminjajo, potem se kmalu pomešajo med vse tri vrste tudi takrat, ko vir oddaja nevtrine le ene vrste.

    Vendar pa naj nevtrini ne bi imeli mase. Za brezmasne delce je namreč značilno, da se gibljejo s svetlobno hitrostjo. Po Einsteinovi teoriji relativnosti za delec, ki se giblje s hitrostjo svetlobe, čas stoji, kar pomeni, da se ne more spreminjati. Brezmasni delec je tako rekoč »zamrznjen v času«. Če nevtrini nimajo mase in se gibljejo s svetlobno hitrostjo, se nikakor ne morejo spreminjati iz ene vrste v drugo, saj to prepoveduje teorija relativnosti. Spreminjajo se lahko samo, če se gibljejo s hitrostjo, ki je manjša od svetlobne, to pa pomeni, da morajo imeti tudi maso.

    Tudi na Japonskem naštejejo premalo nevtrinov

    Zelo veliko nevtrinov nastaja pri jedrskih reakcijah v Soncu, ko se vodik zliva v helij, pri čemer se sprošča energija. Te v Soncu nastale nevtrine imenujejo fiziki solarni nevtrini. Nekaj nevtrinov nastane tudi na vrhu atmosfere, kjer hitri delci iz vesolja trčijo ob vrhnje plasti zemeljskega ozračja in tudi sprožijo atomske reakcije, ki povzročijo nastajanje nevtrinov. Tem zemeljskim nevtrinom fiziki pravijo atmosferski nevtrini.

    V osemdesetih letih prejšnjega stoletja so Japonci v veliki votlini znotraj gore postavili eksperiment z imenom Kamiokande. V devetdesetih letih so detektor v gori še izboljšali in ga poimenovali Super-Kamiokande. Ves projekt je bil resnično veličasten. Podzemni bazen, ki je bil visok štirideset metrov, so napolnili z zelo čisto vodo in ga obdali z enajst tisoč zelo občutljivimi detektorji svetlobe.

    Bistvena izboljšava novega poskusa je bila, da so lahko ugotovili tudi smer, iz katere je prišel posamezen nevtrino. Pričakovali so, da bo število atmosferskih nevtrinov, ki prihajajo od zgoraj in od spodaj, približno enako. A nevtrinov, ki so prihajali od spodaj, je bilo spet premalo glede na tiste, ki so prihajali od zgoraj.

    Nevtrini imajo maso

    Ker potovanje skozi Zemljo na same nevtrine ne vpliva, je bil tak rezultat nenavaden. Glede na to, da atmosferski nevtrini nastajajo enakomerno po vsej površini zemeljske atmosfere, a je tistih, ki morajo, preden trčijo v detektor, prepotovati še skozi ves planet, manj, lahko to pomeni le, da se nevtrini spreminjajo oziroma da občutijo čas. Tistih, ki so že dlje časa na poti, zaznajo manj, saj so se deloma spremenili v takšne, ki jih detektor ne zazna.

    Ker se nevtrini s časom spreminjajo, to pomeni, da imajo maso. Če imajo maso, to lahko pojasni tudi, zakaj je Davis naštel le tretjino napovedanih nevtrinov. Ker so se med potjo s Sonca do Zemlje spremenili tudi v drugi dve vrsti, ki ju detektor v zlatem rudniku ni znal zaznati, je Davis naštel le tretjino napovedanih nevtrinov.

    Ko so v začetku enaindvajsetega stoletja postavili detektor, ki je lahko štel vse tri vrste nevtrinov, so jih našteli toliko, kot so jih napovedovali izračuni. Problem nevtrinov je bil rešen. Ray Davis se pri svojem poskusu ni zmotil. Za svoje veliko delo je leta 2002 skupaj z vodjem poskusa Kamiokande Masatošijem Košibo prejel Nobelovo nagrado za fiziko.

    Deli