Neutriino on elementaarosake, mis on väga sarnane elektroniga, kuid millel puudub elektrilaeng. Sellel on väga väike mass, mis võib olla isegi null. Neutriino kiirus sõltub ka massist. Osakese ja valguse saabumisaja erinevus on 0,0006% (± 0,0012%). 2011. aastal leiti OPERA eksperimendi käigus, et neutriinode kiirus ületab valguse kiirust, kuid sõltumatud kogemused seda ei kinnitanud.
Tabamatu osake
See on üks levinumaid osakesi universumis. Kuna see suhtleb ainega väga vähe, on seda uskumatult raske tuvastada. Elektronid ja neutriinod ei osale tugevas tuuma vastasmõjus, kuid osalevad võrdselt ka nõrkades. Nende omadustega osakesi nimetatakse leptoniteks. Laetud leptonite hulka kuuluvad lisaks elektronile (ja selle antiosakesele positronile) muuon (200 elektroni massi), tau (3500 elektronmassi) ja nende antiosakesed. Neid nimetatakse nii: elektron-, müoon- ja tau-neutriinodeks. Igal neist on ainevastane komponent, mida nimetatakse antineutriinoks.
Muonil ja taul nagu elektronil on nendega kaasas osakesed. Need on müüon- ja tau-neutriinod. Kolm tüüpi osakesi on üksteisest erinevad. Näiteks kui müüonneutriinod suhtlevad sihtmärgiga, toodavad nad alati müüone, mitte kunagi tau või elektrone. Osakeste vastastikmõjus võib küll tekkida ja hävida elektrone ja elektronneutriinosid, kuid nende summa jääb muutumatuks. See asjaolu viib leptonite jagunemiseni kolme tüüpi, millest igaühel on laetud lepton ja sellega kaasnev neutriino.
Selle osakese tuvastamiseks on vaja väga suuri ja äärmiselt tundlikke detektoreid. Tavaliselt läbivad madala energiatarbega neutriinod enne ainega suhtlemist palju valgusaastaid. Järelikult põhinevad kõik nendega tehtud maapealsed katsed nende väikese osa mõõtmisel, mis suhtlevad mõistliku suurusega salvestitega. Näiteks Sudbury Neutrino Observatooriumis, mis sisaldab 1000 tonni rasket vett, läbib detektorit umbes 1012 päikeseneutriinot sekundis. Ja neid leitakse ainult 30 päevas.
Avastuste ajalugu
Wolfgang Pauli postuleeris osakese olemasolu esimest korda 1930. aastal. Sel ajal tekkis probleem, kuna tundus, et beetalagunemisel ei säilinud energia ja nurkimment. Kuid Pauli märkis, et kui eraldub mitteinterakteeruv neutraalne neutriinoosake, järgitakse energia jäävuse seadust. Itaalia füüsik Enrico Fermi töötas 1934. aastal välja beetalagunemise teooria ja andis osakesele selle nime.
Kõigile ennustustele vaatamata ei suudetud neutriinosid 20 aasta jooksul katseliselt tuvastada nende nõrga vastasmõju tõttu ainega. Kuna osakesed ei ole elektriliseltlaetud, ei mõjuta neid elektromagnetilised jõud ja seetõttu ei põhjusta nad aine ionisatsiooni. Lisaks reageerivad nad ainega ainult tühise tugevusega nõrga vastasmõju kaudu. Seetõttu on need kõige läbitungivamad subatomaarsed osakesed, mis suudavad läbida tohutul hulgal aatomeid, põhjustamata mingit reaktsiooni. Ainult üks neist osakestest 10 miljardist, mis liigub läbi aine Maa läbimõõduga võrdse vahemaa, reageerib prootoni või neutroniga.
Lõpuks, 1956. aastal, teatas Frederick Reinesiga juhitud Ameerika füüsikute rühm elektron-antineutriino avastamisest. Tema katsetes interakteerusid tuumareaktorist eraldunud antineutriinod prootonitega, moodustades neutroneid ja positroneid. Nende viimaste kõrvalsaaduste ainulaadsed (ja haruldased) energiamärgid annavad tunnistust osakese olemasolust.
Laetud müüonleptonite avastamine sai lähtepunktiks teist tüüpi neutriinode – müüoni – hilisemal tuvastamisel. Nende identifitseerimine viidi läbi 1962. aastal osakeste kiirendiga tehtud katse tulemuste põhjal. Kõrge energiaga müoonilised neutriinod tekkisid pi-mesonite lagunemisel ja saadeti detektorisse nii, et oleks võimalik uurida nende reaktsioone ainega. Kuigi nad on mittereaktiivsed, nagu ka muud tüüpi need osakesed, on leitud, et harvadel juhtudel, kui nad reageerivad prootonite või neutronitega, moodustavad müüon-neutriinod müüone, kuid mitte kunagi elektrone. 1998. aastal tegid Ameerika füüsikud Leon Lederman, Melvin Schwartz ja Jack Steinbergersai Nobeli füüsikaauhinna müonneutriino tuvastamise eest.
1970. aastate keskel täiendati neutriinofüüsikat teist tüüpi laetud leptonitega – tauga. Tau neutriino ja tau antineutriino osutusid seotuks selle kolmanda laetud leptoniga. 2000. aastal riikliku kiirendi labori füüsikud. Enrico Fermi teatas esimestest eksperimentaalsetest tõenditest seda tüüpi osakeste olemasolu kohta.
Miss
Iga tüüpi neutriinode mass on palju väiksem kui nende laetud kolleegidel. Näiteks näitavad katsed, et elektron-neutriino mass peab olema väiksem kui 0,002% elektronide massist ja et kolme liigi masside summa peab olema väiksem kui 0,48 eV. Aastaid tundus, et osakese mass on null, kuigi puudusid veenvad teoreetilised tõendid, miks see nii peaks olema. Seejärel, 2002. aastal, esitas Sudbury neutriinoobservatoorium esimesed otsesed tõendid selle kohta, et Päikese tuumas toimuvate tuumareaktsioonide käigus eraldunud elektronneutriinod muutuvad seda läbides. Sellised neutriinode "võnkumised" on võimalikud, kui ühte või mitut tüüpi osakestel on väike mass. Nende uuringud kosmiliste kiirte vastastikmõju kohta Maa atmosfääris näitavad samuti massi olemasolu, kuid selle täpsemaks määramiseks on vaja täiendavaid katseid.
Allikad
Neutriinode looduslikud allikad on elementide radioaktiivne lagunemine Maa soolestikus, mille käiguskiirgub suur voog madala energiaga elektrone-antineutriinosid. Supernoovad on samuti valdav alt neutriinonähtus, kuna ainult need osakesed suudavad tungida läbi kokkuvarisevas tähes tekkiva ülitiheda materjali; valguseks muudetakse vaid väike osa energiast. Arvutused näitavad, et umbes 2% Päikese energiast moodustab termotuumasünteesi reaktsioonides tekkivate neutriinode energia. On tõenäoline, et suurem osa universumi tumeainest koosneb Suure Paugu ajal tekkinud neutriinodest.
Füüsikaprobleemid
Neutriinode ja astrofüüsikaga seotud valdkonnad on mitmekesised ja arenevad kiiresti. Praegused küsimused, mis meelitavad suurt hulka eksperimentaalseid ja teoreetilisi jõupingutusi, on järgmised:
- Millised on erinevate neutriinode massid?
- Kuidas need mõjutavad Suure Paugu kosmoloogiat?
- Kas need võnguvad?
- Kas üht tüüpi neutriinod võivad aines ja ruumis liikudes muutuda teiseks?
- Kas neutriinod erinevad nende antiosakestest põhimõtteliselt?
- Kuidas tähed kokku varisevad ja supernoovad moodustavad?
- Mis roll on neutriinodel kosmoloogias?
Üks pikaajalisi eriti huvipakkuvaid probleeme on niinimetatud päikeseneutriino probleem. See nimi viitab tõsiasjale, et viimase 30 aasta jooksul läbi viidud mitme maapealse katse käigus täheldati järjekindl alt vähem osakesi, kui oli vaja päikese poolt kiiratava energia tootmiseks. Selle üheks võimalikuks lahenduseks on võnkumine, st elektroonika teisendamineMaale reisides neutriinod müüoniteks või taudeks. Kuna madala energiaga müoneid või tau neutriinosid on palju keerulisem mõõta, võib selline teisendus selgitada, miks me ei jälgi Maal õiget osakeste arvu.
Neljas Nobeli preemia
2015. aasta Nobeli füüsikaauhinna pälvisid Takaaki Kajita ja Arthur McDonald neutriino massi avastamise eest. See oli neljas selline auhind, mis oli seotud nende osakeste eksperimentaalsete mõõtmistega. Mõni võib küsida, miks peaksime nii palju hoolima millestki, mis vaevu tavalise ainega suhtleb.
Asjaolu, et me suudame neid lühiajalisi osakesi tuvastada, annab tunnistust inimeste leidlikkusest. Kuna kvantmehaanika reeglid on tõenäosuslikud, siis teame, et kuigi peaaegu kõik neutriinod läbivad Maad, suhtlevad mõned neist sellega. Selle tuvastamiseks piisav alt suur detektor.
Esimene selline seade ehitati kuuekümnendatel sügaval Lõuna-Dakota kaevanduses. Kaevandus täideti 400 tuhande liitri puhastusvedelikuga. Keskmiselt interakteerub iga päev üks neutriinoosake klooriaatomiga, muutes selle argooniks. Uskumatult mõtles detektori eest vastutav Raymond Davis välja viisi, kuidas need mõned argooni aatomid tuvastada, ja neli aastakümmet hiljem, 2002. aastal, pälvis ta selle hämmastava tehnilise saavutuse eest Nobeli preemia.
Uus astronoomia
Kuna neutriinod suhtlevad nii nõrg alt, võivad nad läbida pikki vahemaid. Need annavad meile võimaluse vaadata kohti, mida me muidu kunagi ei näeks. Davise avastatud neutriinod tekkisid Päikese keskosas aset leidnud tuumareaktsioonide tulemusena ja pääsesid sellest uskumatult tihedast ja kuumast kohast välja vaid seetõttu, et nad ei suhtle peaaegu üldse teiste ainetega. On isegi võimalik tuvastada neutriinot, mis lendab plahvatava tähe keskpunktist enam kui saja tuhande valgusaasta kaugusel Maast.
Lisaks võimaldavad need osakesed vaadelda universumit väga väikeses skaalas, mis on palju väiksem kui see, mida Higgsi bosoni avastanud Genfis asuv suur hadronite põrkur suudab vaadata. Just sel põhjusel otsustas Nobeli komitee anda Nobeli preemia veel ühte teist tüüpi neutriinode avastamise eest.
Müstiline kadunud
Kui Ray Davis jälgis päikeseneutriinosid, leidis ta vaid kolmandiku oodatust. Enamik füüsikuid arvas, et selle põhjuseks olid vähesed teadmised Päikese astrofüüsikast: võib-olla hindasid tähe sisemuse mudelid üle selles tekkivate neutriinode arvu. Kuid aastate jooksul, isegi kui päikesemudelid paranesid, puudus puudus. Füüsikud juhtisid tähelepanu veel ühele võimalusele: probleem võib olla seotud meie arusaamaga nendest osakestest. Tol ajal valitsenud teooria järgi neil massi polnud. Kuid mõned füüsikud on väitnud, et osakestel oli tegelikult lõpmatult vähemass ja see mass oli nende puuduse põhjuseks.
Kolme näoga osake
Neutriinode võnketeooria järgi on looduses kolme erinevat tüüpi neutriinosid. Kui osakesel on mass, võib see liikudes muutuda ühest tüübist teise. Kolm tüüpi - elektron, müüon ja tau - saab ainega interakteerudes muundada vastavaks laetud osakeseks (elektron, müüon või tau lepton). "Võnkumine" tekib kvantmehaanika tõttu. Neutriino tüüp ei ole konstantne. See muutub aja jooksul. Neutriino, mis alustas oma olemasolu elektronina, võib muutuda müüoniks ja seejärel tagasi. Seega võib Päikese tuumas tekkinud osake, teel Maale, perioodiliselt muutuda müüon-neutriinoks ja vastupidi. Kuna Davise detektor suutis tuvastada ainult elektronneutriinosid, mis on võimelised viima kloori tuumatransmutatsioonini argooniks, tundus võimalik, et puuduvad neutriinod on muutunud teist tüüpi neutriinodeks. (Nagu selgub, ostsilleeruvad neutriinod Päikese sees, mitte teel Maale.)
Kanada eksperiment
Ainus viis seda testida oli ehitada detektor, mis töötas kõigi kolme neutriinotüübi jaoks. Alates 1990. aastatest on Arthur McDonald Queen's Ontario ülikoolist juhtinud meeskonda, kes seda tegi Ontarios Sudburys asuvas kaevanduses. Rajatis sisaldas tonni Kanada valitsuselt laenutatud rasket vett. Raske vesi on haruldane, kuid looduslikult esinev veevorm, milles ühte prootonit sisaldav vesinik,asendatakse selle raskema isotoobiga deuteeriumiga, mis sisaldab prootonit ja neutronit. Kanada valitsus varus rasket vett, sest seda kasutatakse tuumareaktorites jahutusvedelikuna. Kõik kolm tüüpi neutriinod võisid deuteeriumi hävitada, moodustades prootoni ja neutroni ning seejärel loendati neutronid. Detektor registreeris Davisega võrreldes umbes kolm korda rohkem osakesi – täpselt nii palju, kui Päikese parimad mudelid ennustasid. See viitas sellele, et elektronneutriino võib võnkuda oma teist tüüpi.
Jaapani eksperiment
Umbes samal ajal tegi Takaaki Kajita Tokyo ülikoolist veel üht tähelepanuväärset katset. Jaapanis asuvasse kaevandusse paigaldatud detektor registreeris neutriinosid, mis ei tulnud mitte Päikese sisikonnast, vaid atmosfääri ülakihtidest. Kui kosmilise kiirguse prootonid põrkuvad atmosfääriga, tekivad teiste osakeste, sealhulgas müüonneutriinode sadu. Kaevanduses muutsid nad vesiniku tuumad müüoniteks. Kajita detektor nägi osakesi kahes suunas. Mõned langesid atmosfäärist ülev alt, teised aga liikusid altpoolt. Osakeste arv oli erinev, mis viitas nende erinevale olemusele – nad asusid oma võnketsüklite erinevates punktides.
Revolutsioon teaduses
See kõik on eksootiline ja hämmastav, aga miks tõmbavad võnkumised ja neutriino massid nii palju tähelepanu? Põhjus on lihtne. Kahekümnenda sajandi viimase viiekümne aasta jooksul välja töötatud osakeste füüsika standardmudelismis kirjeldas õigesti kõiki teisi kiirendite ja muude katsete vaatlusi, oleksid neutriinod pidanud olema massita. Neutriino massi avastamine viitab sellele, et midagi on puudu. Standardmudel ei ole täielik. Puuduvad elemendid on veel avastamata, kas suure hadronite põrgataja või mõne muu alles loodava masina abil.
