A neutrínókban vagyunk. A kettő tucatnyi szubatómiai részecske közül a legkönnyebbek és minden irányból származnak: az univerzumot létrehozó Nagyrobbanásból, a felrobbanó csillagokból és mindenekelőtt a Napból. Egyenesen a földön jönnek, szinte a fénysebességgel, egész nap, éjjel és nappal, óriási számban. Körülbelül 100 trillió neutrinó halad át a testünkön másodpercenként.
kapcsolodo tartalom
- Furcsa portálok megnyitása a fizikában
A fizikusok számára az a probléma, hogy a neutrinókat lehetetlen látni és nehéz felismerni. Bármilyen erre kifejlesztett eszköz tapintásúan érzi magát, de a neutrinók számára még a rozsdamentes acél is általában üres hely, ugyanolyan széles, mint a napenergia rendszer az üstökös számára. Ráadásul a neutrínóknak, a legtöbb szubatomi részecskével ellentétben, nincs elektromos töltésük - semlegesek, innen származik a név -, így a tudósok nem használhatják elektromos vagy mágneses erőket ezek megfogására. A fizikusok "szellemrészecskéknek" hívják őket.
E megfoghatatlan entitások megragadására a fizikusok rendkívül nagyratörő kísérleteket végeztek. Annak érdekében, hogy a neutrinókat ne lehessen összetéveszteni a kozmikus sugarakkal (a világűrből származó olyan szubatomi részecskék, amelyek nem hatolnak be a földbe), a detektorokat mélyen a föld alatt telepítik. Óriási helyeket helyeztek az arany- és a nikkelbányákba, a hegyek alatti alagutakba, az óceánba és az Antarktiszi jégbe. Ezek a különös módon gyönyörű eszközök emlékei az emberiség azon szándékának, hogy megismerje az univerzumot.
Nem világos, hogy a neutrínók tanulmányozása milyen gyakorlati alkalmazásokat eredményez. "Nem tudjuk, hová vezet" - mondja Boris Kayser, a fermilab-i elméleti fizikus, Illinois-i Batavia-ban.
A fizikusok részben a neutrinókat tanulmányozzák, mert a neutrínók ilyen furcsa karakterek: Úgy tűnik, hogy megsértik azokat a szabályokat, amelyek a természet legalapvetőbb leírását írják le. És ha a fizikusok valaha is teljesítik a valóság koherens elméletének kifejlesztésére vonatkozó reményeiket, amely kivétel nélkül magyarázza a természet alapjait, akkor számolniuk kell a neutrinók viselkedésével.
Ezenkívül a neutrínók érdeklődést keltenek a tudósok iránt, mivel a részecskék a világegyetem külső területein lévő hírvivők, amelyeket erőszakosan robbantó galaxisok és más titokzatos jelenségek hoztak létre. "A neutronok el tudnak mondani nekünk olyan dolgokat, amiket a hummer részecskék nem képesek" - mondja Kayser.
A fizikusok a neutrinókat már régen elképzelték, mielőtt bármit is találtak volna. 1930-ban elkészítették egy olyan egyenlet kiegyensúlyozásának koncepcióját, amely nem összegzi. Amikor egy radioaktív atommag szétesik, az általa kibocsátott részecskék energiájának meg kell egyeznie azzal, amelyet eredetileg tartalmazott. De a tudósok megfigyelték, hogy a mag több energiát veszít, mint a detektorok. Tehát ennek a többlet energianak a figyelembevétele érdekében a fizikus, Wolfgang Pauli elkészített egy extra, láthatatlan részecskét, amelyet a atommag bocsát ki. "Ma nagyon rosszul tettem valamit, amikor olyan részecskét javasoltam, amelyet nem lehet felfedezni" - írta Pauli a naplójában. "Ez olyan dolog, amellyel egyetlen teoretikus soha nem szabad tennie."
A kísérletezők egyébként elkezdték keresni. Az 1950-es évek közepén, a dél-karolinai nukleáris fegyverek laboratóriumában két nagy víztartályt állítottak fel egy nukleáris reaktor előtt, amelyek egyenleteik szerint tíz trillió neutrínót kellett volna másodpercre tenniük. A detektor a mai szabvány szerint kicsi volt, de még mindig sikerült észlelnie a neutrinókat - három órás órában. A tudósok megállapították, hogy a javasolt neutrinó valójában valódi; a megfoghatatlan részecskék vizsgálata felgyorsult.
Egy évtizeddel később a terep nagysága megnőtt, amikor egy másik fizikuscsoport detektálót telepített a Homestake aranybányájába, a Dél-Dakota-i vezetékbe, 4850 méter mélységben. Ebben a kísérletben a tudósok arra törekedtek, hogy a neutrinókat megfigyeljék, figyelemmel kísérve azt, hogy mi történik ritka alkalommal, amikor egy neutrinó összeütközik egy klóratommal, és radioaktív argonot hoz létre, amely könnyen kimutatható. A kísérlet középpontjában egy tartály volt, amely 600 tonna klórban gazdag folyadékkal, perklór-etilénnel, a vegytisztításhoz használt folyadékkal tele volt. Néhány havonta a tudósok átöblítik a tartályt és mintegy 15 argonatomot kinyernek, ami 15 neutrinos bizonyítéka. A monitorozás több mint 30 éve folytatódott.
Remélve, hogy nagyobb számban észlelik a neutrínókat, Japánban a tudósok egy 3300 láb mélységig tartó kísérletet vezettek egy cinkbányában. A Super-Kamiokande, vagy az ismert Super-K, 1996-ban kezdte meg működését. Az érzékelő 50 000 tonna vízből áll egy kupolásos tartályban, amelynek falait 13 000 fényérzékelő borítja. Az érzékelők észlelik az esetenként megjelenő kék villanást (amely a szemünk számára túl gyenge), amikor egy neutrinó összeütközik a vízben található atommal, és elektronot hoz létre. És azáltal, hogy nyomon követi az elektronok útját a vízben, a fizikusok következtethetnek az űrben az ütköző neutrinó forrására. Legtöbbjük a napból származott. A mérések elég érzékenyek voltak ahhoz, hogy a Super-K nyomon tudja követni a nap útját az égen, és közel egy mérföldnyire a föld felszínétől figyelje, hogy a nap éjszakaivá válik. "Nagyon izgalmas dolog" - mondja Janet Conrad, a Massachusetts Technológiai Intézet fizikusa. A részecskepályákat úgy lehet összeállítani, hogy „gyönyörű képet, a nap képét képezzék neutrínókban”.
De a Homestake és a Super-K kísérletek nem találtak olyan sok neutrínót, mint ahogy a fizikusok elvárták. A Sudbury Neutrino Obszervatórium (SNO, „hó” kiejtése) kutatásai meghatározták miért. Az Ontarioban egy 6800 láb mélyen lévő nikkelbányában beépített SNO 1100 tonna „nehéz vizet” tartalmaz, amelynek szokatlan formájú hidrogénje van, és viszonylag könnyen reagál a neutrinókkal. A folyadék egy tartályban van felfüggesztve egy hatalmas akrilgömb belsejében, amelyet maga tart egy geodéziai felépítményben, amely rezgéseket elnyeli és amelyre 9456 fényérzékelő van felfüggesztve - az egész 30 láb magas karácsonyfa dísznek tűnik.
Az SNO-ban dolgozó tudósok 2001-ben rájöttek, hogy egy neutrinó spontán módon válthat három különböző identitás között - vagy ahogy a fizikusok mondják, három íz között oszcillál. A felfedezésnek megdöbbentő következményei voltak. Egyrészt, ez azt mutatta, hogy a korábbi kísérletek sokkal kevesebb neutrinot detektáltak, mint amire számítottak, mivel a műszereket csak egy neutrino-ízre hangolták be - az a fajta, amely elektronot hoz létre -, és hiányoztak azok, amelyek kapcsoltak. Másrészt a megállapítás megdöbbentette a fizikusok azon hitet, hogy a neutronnak, mint egy fotonnak nincs tömege. (Az ízek oszcillálása olyasmi, amelyet csak a tömegű részecskék képesek megtenni.)
Mennyi tömeg van a neutrinókban? Ennek megismerése érdekében a fizikusok KATRIN-t építenek - a Karlsruhe trícium-neutrino-kísérletet. A KATRIN üzleti vége egy 200 tonnás spektrométernek nevezett készülékkel büszkélkedhet, amely megméri az atomok tömegét radioaktív módon bomlásuk előtt és után - ezáltal felfedi, hogy mekkora tömeggel terjed a neutrinó. A technikusok körülbelül 250 mérföldre a németországi Karlsruhe-tól építették a spektrométert, ahol a kísérlet fog működni; az eszköz túl nagy volt a régió keskeny utakához, ezért csónakra helyezték a Duna-folyón, és Bécs, Budapest és Belgrád felett elrepültek a Fekete-tengerbe, az Égei-tengeren és a Földközi-tengeren keresztül, Spanyolország körül, a La Manche-n keresztül, Rotterdamba és a Rajna felé, majd délre a németországi Leopoldshafen folyami kikötőhöz. Ott rakodták le egy teherautóra, és két hónappal és 5600 mérfölddel később a városon keresztül megcsavarták a rendeltetési helyre. A tervek szerint 2012-ben kezdődik az adatgyűjtés.
A fizikusok és a csillagászok, akiket érdekel az a tény, hogy a világűrből származó neutrinók szupernóvákat vagy ütköző galaxisokat hordozhatnak, felállították a neutrino „távcsöveket”. Az egyik, IceCube néven, az Antarktisz jégmezőjében található. Befejezésekor, 2011-ben, több mint 5000 kékfény-érzékelőből áll (lásd a fenti ábrát). Az érzékelők nem az ég felé irányulnak, amint azt várhatnánk, hanem a talaj felé, hogy észleljék a bolygón északról a Napból és a világűrből érkező neutrínókat. A föld blokkolja a kozmikus sugarakat, de a legtöbb neutrinó úgy csúszik át a 8000 mérföld széles bolygón, mintha nem lenne ott.
Több középnyugati államban hosszú távú neutrino kísérlet zajlik. Egy nagy energiájú gyorsító, amely szubatómiai részecskéket generál, és hat mérföld mélyen, neutrínók és rokon részecskéinek gerendáit lőtt Illinois északi részén, Wisconsinon át és Minnesotába. A részecskék a Fermilab-nál indulnak, egy olyan kísérlet részeként, amelyet a Main Injector Neutrino Oscillation Search-nek (MINOS) hívnak. Másodpercen belül kevesebb, mint három ezredharmadban egy 450 mérföld távolságban lévő szudáni vasbányában lévő detektorba ütköztek. A tudósok által összegyűjtött adatok bonyolítják a végtelen világról alkotott képet: ma úgy tűnik, hogy a neutrinók egzotikus formái, az úgynevezett anti-neutrinók nem követhetik ugyanazokat az oszcillációs szabályokat, mint a többi neutrinó.
"Mi a jó - mondja Conrad -, hogy nem erre számítotunk."
A neutrinókról nagyon kevés van.
Ann Finkbeiner legújabb könyve „ A nagy és merész dolog” a Sloan Digital Sky Survey-ról szól, amely az univerzum feltérképezésére törekszik.
A minket bombázó neutrinók többsége a Napból származik, amelyet itt egy ultraibolya kép mutat. (NASA) 
A japán barlangos Super-Kamiokande detektor 13 000 érzékelővel van bélelt, hogy pontosan meghatározzák a neutrinók jeleit. A hajóban dolgozók figyelik a készüléket, mivel ez megtelik vízzel. (Kamioka Obszervatórium, ICRR (Kozmikus Sugárkutató Intézet), Tokiói Egyetem) 
A nap magjában zajló reakciók sorozatában a hidrogénatomok fúzióval héliumot hoznak létre. A folyamat energiát és szubatomi részecskéket szabadít fel, beleértve a neutrinókat is. Amikor egy foton vagy a fény részecske elhagyja a nap sűrű magját, akkor csapdába esik a hő és a düh, és valószínűleg nem éri el minket évekig. De egy napenergia-neutrino észrevétlen és nyolc perc alatt eléri a Földet. (Samuel Velasco / 5W infographics) 
A kanadai Sudbury Neutrino Obszervatórium megerősítette, hogy egy neutrinó megváltoztathatja identitását. (SnO) 
A New York-i Brookhaven Nemzeti Laboratórium fizikusai, akiket itt látnak a laboratóriumi STAR detektorban, remélik, hogy egy neutrino sugárnyalábot lőnek a Dél-Dakotai Homestake bányájához. (BNL) 
A Minnesotában található MINOS neutrinodetektor az Illinois-ból lőtt neutrínosugarak célpontja. (Fermilab Visual Media Services) 
A KATRIN spektrométer, amely a neutrino tömegét fogja mérni, a németországi Leopoldshafenen keresztül préselt laboratóriumba kerül. (Karlsruhe Technológiai Intézet) 
Az Antarktiszon található IceCube neutrinodetektor be van ágyazva a jégbe. Az 5000 érzékelővel, amely több mint 70 vonalhoz van csatlakoztatva, az IceCube megkeresi azokat a neutrínókat, amelyek 8000 mérföldet haladtak át a bolygón. (Wisconsini Egyetem, Madison) 
Egy érzékelősor leereszkedik egy 8000 méter mély lyukba. (Jim Haugen / Nemzeti Tudományos Alapítvány)
