Neutrini su možda najzanimljiviji od poznatih čestica. Jednostavno lebde po svima poznatim pravilima kako se čestice trebaju ponašati. Oni se rugaju našim otmjenim detektorima. Poput kozmičkih mačaka, oni bezbrižno i bezbrižno prolaze kroz svemir, povremeno komuniciraju s ostalima, ali stvarno samo kad im se tako čini, što iskreno nije sve tako često.
Najviše frustrira od svega, nose maske i nikad ne izgledaju dvaput na isti način.
No, novi pokus možda nas je odveo samo korak bliže uklanjanju tih maski. Otkrivanje pravog neutrinog identiteta moglo bi pomoći u odgovoru na dugogodišnja pitanja, poput toga jesu li neutrini njihovi vlastiti antimaterijski partneri, a moglo bi čak pomoći ujedinjavanju snaga prirode u jednu kohezijsku teoriju.
Veliki problem
Neutrini su čudni. Postoje tri vrste: neutron elektrona, muonski neutrino i tau neutrino. (Postoje i inačice protiv tri čestice, ali to nije veliki dio ove priče.) Tako su nazvane jer se ove tri vrste druže s tri različite vrste čestica. Elektronski neutrini pridružuju se interakcijama koje uključuju elektrone. Muonski neutrini se spajaju s muonima. Bodovi se neće dodjeljivati za pogađanje s čime tau neutrino djeluje.
Do sada, to uopće nije čudno. Tu dolazi čudni dio.
Za čestice koje su ne neutrini - poput elektrona, muona i tau čestica - ono što vidite je ono što dobivate. Te su čestice potpuno iste, osim njihove mase. Ako opazite česticu s masom elektrona, ona će se ponašati točno onako kako bi se trebao ponašati elektron, a isto vrijedi i za muon i tau. Štoviše, jednom kad opazite jedan elektron, to će uvijek biti elektron. Ništa više, ništa manje. Isto za muon i tau.
Ali isto ne važi za njihove rođake, neutrone, elektrone, muone i tau.
Ono što nazivamo, recimo, "tau neutrino" nije uvijek tau neutrino. Može promijeniti svoj identitet. Sredinom leta može postati neutron elektrona ili muona.
Ovaj čudan fenomen koji u osnovi niko nije očekivao naziva se neutrinsko oscilacija. To između ostalog znači da možete stvoriti neutrinu elektrona i poslati je svom najboljem prijatelju kao poklon. Ali kad ih dobiju, možda će ih razočarati pronaći umjesto njih tau neutrino.
Klackalica-klecati
Iz tehničkih razloga, neutrino oscilacija djeluje samo ako postoje tri neutrina s tri različite mase. Ali neutrini koji osciliraju nisu neutrini s okusom elektrona, muona i taua.
Umjesto toga, postoje tri "istinska" neutrina, svaki s različitim, ali nepoznatim masama. Prepoznatljiva mješavina tih istinskih, osnovnih neutrina stvara svaki od neutrinskih okusa koje otkrijemo u našim laboratorijima (elektron, muon, tau). Dakle, laboratorijski izmjerena masa neka je mješavina onih pravih neutrinskih masa. U međuvremenu, masa svakog istinskog neutrina u mješavini određuje koliko često se ulijeva u svaki od različitih okusa.
Posao fizičara sada je rastaviti sve odnose: Koje su mase tih pravih neutrina i kako se oni miješaju u tri tri okusa?
Dakle, fizičari su u lovu da otkriju mase "pravih" neutrina promatrajući kada i koliko često mijenjaju okuse. Opet, fizički žargon je vrlo koristan kad ovo objašnjava, jer su nazivi ove tri neutrine jednostavno m1, m2 i m3.
Razni naporni eksperimenti naučili su znanstvenike nekim stvarima o masama pravih neutrina, barem neizravno. Na primjer, znamo za neke odnose između kvadrata masa. Ali ne znamo točno koliko teži neki od istinskih neutrina, a ne znamo koji su teži.
Moglo bi biti da je m3 najteži, daleko prevazilazi m2 i m1. To se naziva "normalno naređivanje", jer se čini prilično normalno - a to su fizičari koji su naredili uglavnom pretpostavljali desetljećima. Ali na temelju našeg trenutnog znanja, moglo bi se reći i da je m2 najteži neutrino, s m1 ne zaostaje i m3 punan u usporedbi. Taj se scenarij naziva "obrnuti redoslijed", jer znači da smo u početku pogodili pogrešan poredak.
Naravno, postoje kampovi teoretičara koji su za svaki od ovih scenarija istiniti. Teorije koje pokušavaju objediniti sve (ili barem većinu) prirodnih sila pod jednim krovom obično zahtijevaju normalno redoslijed neutrino-mase. S druge strane, redoslijed pretvorene mase je nužan da bi neutrino bio vlastiti blizanac s česticama. A ako je to istina, moglo bi vam pomoći objasniti zašto u svemiru ima više materije nego antimaterije.
Vježba u DeepCore-u
Koji je to: normalan ili obrnut? To je jedno od najvećih pitanja koja će se pojaviti iz proteklih nekoliko desetljeća neutrinog istraživanja, a upravo je to pitanje na koje je masivni Neutrino opservatorij IceCube bio osmišljen da odgovori. Smještena na Južnom polu, opservatorij se sastoji od desetaka nizova detektora umočenih u antarktički ledeni list, s središnjim "DeepCoreom" od osam nizova djelotvornijih detektora koji mogu vidjeti interakcije niže energije.
Neutrini jedva razgovaraju s normalnom materijom, pa su savršeno sposobni letjeti ravno kroz tijelo Zemlje. I dok to učine, oni će se pretvoriti u različite okuse. Svako u rijetko vrijeme oni će udariti molekulu u antarktičkom ledenom listu u blizini IceCube detektora, aktivirajući kaskadni tuš čestica koje emitiraju iznenađujuće plavu svjetlost zvanu Cherenkov zračenje. To svjetlo detektira žice IceCube.
U nedavnom radu objavljenom u časopisu prije tiskanja arXiv, znanstvenici tvrtke IceCube upotrijebili su tri godine DeepCore podatke kako bi izmjerili koliko je svaka vrsta neutrina prošla kroz Zemlju. Napredak je, naravno, spor, jer je neutrine tako teško uhvatiti. Ali u ovom djelu. znanstvenici iznose neznatne preferencije u podacima za normalno naručivanje (što bi značilo da smo pretpostavili prije desetljeća). Međutim, još uvijek nisu našli ništa previše uvjerljivo.
Je li to sve što ćemo dobiti? Sigurno ne. IceCube se uskoro priprema za veliku nadogradnju, a novi eksperimenti poput Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) i Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) pripremaju se i za rješavanje ovog središnjeg pitanja. Tko je znao da će tako jednostavno pitanje o redoslijedu neutrinskih masa otkriti toliko načina na koji svemir funkcionira? Šteta što također nije lako pitanje.
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin "Pitajte svemira" i "Svemirski radio, "i autor"Vaše mjesto u svemiru."
