Νετρίνο: το σωματίδιο που απειλεί τα αξιώματα της Φυσικής

Posted on 25/09/2011

0


Τα στοιχειώδη σωμάτια
Στον παραπάνω πίνακα βλέπουμε τα στοιχειώδη σωμάτια σύμφωνα με το καθιερωμένο πρότυπο. Βλέπουμε τα 6 quarks (up, charm, top, down, strange και bottom) με μωβ χρώμα, τα 6 λεπτόνια (ηλεκτρόνιο, μιόνιο, ταυ και τα αντίστοιχα νετρίνα τους) και με κόκκινο χρώμα τους φορείς των 4 αλληλεπιδράσεων που εμφανίζονται στη φύση: το φωτόνιο για την ηλεκτρομαγνητική, το γλοιόνιο για την ισχυρή ή πυρηνική, και τα Zo και W± για την ασθενή αλληλεπίδραση.
Μπορούμε επίσης να τα κατατάξουμε και σε δυο άλλες κατηγορίες:
σε φερμιόνια (αυτά που υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli και έχουν ημιακέραιο σπιν) και σε μποζόνια (αυτά που δεν υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli και έχουν ακέραιο σπιν). Τα σωματίδια που αποτελούν τους φορείς των αλληλεπιδράσεων είναι μποζόνια ενώ τα υπόλοιπα στον πίνακα φερμιόνια.
Μεταξύ των λεπτονίων ανήκουν και τα 3 είδη νετρίνων: το νετρίνο του ηλεκτρονίου, το νετρίνο του μιονίου και το νετρίνο του ταυ. Αν έχουν μάζα, τότε αυτή θα είναι πάρα πολύ μικρή, και για τον λόγο αυτό στον πίνακα σημειώνονται μόνο τα άνω όρια των μαζών τους.
Τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, οπότε δεν αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικά και το γεγονός ότι ανήκουν στην κατηγορία των λεπτονίων σημαίνει ότι δεν αλληλεπιδρούν ούτε διαμέσου της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Τα νετρίνα αλληλεπιδρούν μόνο διαμέσου των ασθενών αλληλεπιδράσεων με την ύλη και για τον λόγο αυτό είναι πάρα πολύ δύσκολο να ανιχνευθούν.

Πολλά σημαντικά γεγονότα στην εξέλιξη της φυσικής είναι συνδεδεμένα με τα νετρίνα και τις ιδιότητές τους. Τελευταίο παράδειγμα τα αποτελέσματα του πειράματος OPERA, σύμφωνα με το οποίο βρέθηκαν να κινούνται με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός – απειλώντας αυτή τη φορά τα θεμέλια της θεωρίας της Σχετικότητας.

Πριν την ανακάλυψη των νετρίνων, ο Βόλφγκανγκ Πάουλι προτίμησε να υποθέσει την ύπαρξή τους παρά να αμφισβητήσει τις αρχές διατήρησης ενέργειας και ορμής.

Νέα φυσική ή νέο σωματίδιο;
Κάποια προσεκτικά πειράματα τη δεκαετία του 1920 έδειχναν ότι η ενέργεια κατά τα φαινόμενα δεν διατηρείται κατά τη διάσπαση βήτα.
Η διαδικασία της βήτα διάσπασης του πυρήνα αλλάζει τον πυρήνα ενός τύπου ατόμου στο πυρήνα ενός άλλου τύπου (με ατομικό αριθμό διαφορετικό από αυτόν του αρχικού πυρήνα) σε συνδυασμό με την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου ή ποζιτρονίου.
Η ενέργεια των προϊόντων της διάσπασης, συμπεριλαμβανομένης της μάζας – ενέργειας του νέου πυρήνα και του απραγόμενου ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου, μετρήθηκε και ήταν μικρότερη από τη μάζα – ενέργεια του αρχικού πυρήνα.
Ο Βόλφγκανγκ Πάουλι έχοντας πίστη στις αρχές διατήρησης ενέργειας και ορμής, έκανε την τολμηρή υπόθεση ότι στην διάσπαση βήτα παραγόταν και τρίτο νέου τύπου σωματίδιο.
Το σωματίδιο αυτό για να μην ανιχνεύεται στα πειράματα της διάσπασης βήτα, θα έπρεπε να περνάει μέσα από τους ανιχνευτές χωρίς να αφήνει ίχνη. Αυτό το νέο σωματίδιο δεν θα έπρεπε να αλληλεπιδρά διαμέσου της ισχυρής ή της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με την ύλη, ειδάλλως θα αλληλεπιδρούσε με την ύλη των ανιχνευτών και θα είχε ανακαλυφθεί απ’ αυτούς στα πειράματα.

Αριστερά ο Fermi και δεξιά ο Pauli. Στο μέσον ο Heisenberg

Ο Ενρίκο Φέρμι τελικά εισήγαγε το σωματίδιο αυτό στην πρώτη λεπτομερή θεωρία για την διάσπαση βήτα και ονόμασε το σωματίδιο αυτό νετρίνο, που στην ιταλική γλώσσα σημαίνει «μικρό και ουδέτερο»…..
….Η εμφάνιση λοιπόν των νετρίνων στον κόσμο της φυσικής συνδέθηκε με την ισχύ ή όχι των θεμελιωδών αρχών της διατήρησης ενέργειας και της ορμής.
Στην πορεία όμως το όνομά τους συνδέθηκε με την παραβίαση μιας από τις θεμελιώδεις συμμετρίες της φύσης.
Τα νετρίνα αλληλεπιδρούν με την ασθενή δύναμη και οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις αποδείχθηκε ότι παραβιάζουν την κατοπτρική συμμετρία.

Η παραβίαση της ομοτιμίας
Παρότι ο κόσμος βρίθει από σύνθετες δομές όπου παραβιάζεται η συμμετρία «αριστερού – δεξιού χεριού» (για παράδειγμα στις εναντιομερείς χημικές ενώσεις), η παραβίασή της στους νόμους της φυσικής έχει βαθύτερο νόημα, διότι σημαίνει ότι η φύση διακρίνει το «αριστερόστροφο» από το «δεξιόστροφο».
Για παράδειγμα, υποθέστε ότι έχουμε μια περιστρεφόμενη «δεξιόστροφα» σφαίρα γύρω από έναν κατακόρυφο άξονα μπροστά σε έναν καθρέφτη.
Αν παρατηρήσουμε το είδωλο της σφαίρας μέσα στον καθρέφτη θα διαπιστώσουμε ότι η φορά περιστροφής αντιστρέφεται: από δεξιόστροφη φαίνεται αριστερόστροφη. Όμως δεν συμβαίνει καμιά αλλαγή στον άξονα περιστροφής της. Επομένως αν δεν γνωρίζαμε ότι αυτό το αποτέλεσμα οφείλεται στην παρεμβολή του καθρέφτη, δεν μπορούμε να πούμε ποια σφαίρα είναι η πραγματική και ποια το είδωλο. Και οι δυο περιπτώσεις μπορούν αν συμβούν.
Η κατοπτρική συμμετρία συμβολίζεται με Ρ, διότι αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως αλλαγή της «ισοτιμίας» ή «ομοτιμίας» (Parity).
Στα μέσα της δεκαετίας του 1950, δυο φυσικοί, ο Tsung Dao Lee και ο Chen Ning Young, για να εξηγήσουν κάποιες διαδικασίες διάσπασης αδρονίων, έκαναν την τολμηρή υπόθεση ότι, πιθανόν, ο νόμος διατήρησης της ομοτιμίας παραβιάζεται από την ασθενή δύναμη. Αν και όλοι πίστευαν ότι η ομοτιμία διατηρείται πάντοτε, στην πραγματικότητα ουδείς είχε ελέγξει αυτό το γεγονός στις ασθενείς δυνάμεις.

Μέχρι που η Chien Shiung Wu, εκτέλεσε ένα κλασικό πείραμα αποδεικνύοντας ότι η μη διατήρηση της ομοτιμίας αποτελεί γενική ιδιότητα των ασθενών αλληλεπιδράσεων – στις οποίες συμμετέχουν και τα νετρίνα.

Τα νετρίνα πάντοτε προσφέρονταν για δράμα. Ένα τέτοιο εξελίχθηκε στη δεκαετία του 1960 και αφορούσε τα νετρίνα που εκπέμπει ο Ήλιος.

Tα ηλιακά νετρίνα
Ο Ήλιος δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένας φυσικός πυρηνικός σταθμός παραγωγής ενέργειας, και, ως εκ τούτου, εκπέμπει άφθονες ποσότητες νετρίνων. Μάλιστα, ο Ήλιος εκπέμπει πολύ περισσότερα νετρίνα παρά φωτόνια. Στα τέλη της δεκαετίας του 1960 ο Τζον Μπακόλ άρχισε να υπολογίζει την ροή νετρίνων από τον Ήλιο στηριζόμενος στις βασικές παραδοχές της πυρηνικής φυσικής και της αστροφυσικής. Στη συνέχεια ζήτησε από έναν πειραματικό φυσικό, τον Ρέι Ντέιβις, να ανιχνεύσει αυτά τα νετρίνα και να επαληθεύσει ότι είχαν εκπεμφθεί.

John Bahcall και Ray Davis, στο ορυχείο το 1964

Επρόκειτο για ένα δύσκολο πείραμα, διότι οι αλληλεπιδράσεις των νετρίνων είναι εξαιρετικά σπάνιες. Ο Τζον υπολόγισε πως ο Ρει θα έπρεπε  στην πειραματική διάταξη που έστησε (μια δεξαμενή 600 τόνων χλωρίου στο βάθος ενός ορυχείου στη Νότια Ντακότα) να παρατηρεί 10 νετρίνα την εβδομάδα. Ωστόσο ο Ρέι κατάγραφε κατά μέσο όρο 3 νετρίνα την εβδομάδα, κάτι που διέψευδε την θεωρητική πρόβλεψη…..

Αρχικά οι επιστήμονες κατηγόρησαν τους πειραματικούς φυσικούς (πάντοτε αποτελούν τον πιο εύκολο αποδιοπομπαίο τράγο σε τέτοιες περιπτώσεις). Όμως ο Ρέι Ντέιβις ήταν βέβαιος για το πείραμά του. Γνώριζε πως αν είχε κάνει κάποιο λάθος και δεν είχε θωρακίσει κατάλληλα τη διάταξή του από την περιβάλλουσα ακτινοβολία, θα παρατηρούσε περισσότερα γεγονότα και όχι λιγότερα.
Στη συνέχεια έριξαν το φταίξιμο στον θεωρητικό φυσικό. Οι φυσικοί βάλθηκαν να γελοιοποιήσουν τον Τζον Μπακόλ: τα τρομερότερα προτεινόμενα εναλλακτικά μοντέλα του Ήλιου παρείχαν ακριβείς νέους υπολογισμούς για τη ροή των νετρίνων, αλλά ήταν ακραία και αφύσικα, και αποκλείονταν εντελώς από την ηλιοσεισμολογία – μια εντυπωσιακή μέθοδο απόκτησης πληροφοριών σχετικά με την εσωτερική δομή του Ήλιου.  Όμως στις δεκαετίες του 1980 και του 1990, μια ιαπωνική ομάδα κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα. Παρατηρούσαν επίσης  λιγότερα ηλιακά νετρίνα απ’ όσα έπρεπε.

Τελικά η λύση δόθηκε θεωρώντας τις λεγόμενες ταλαντώσεις των νετρίνων. Τα δυο τρίτα των εκπεμφθέντων νετρίνων του ηλεκτρονίου χάνονταν στην πορεία τους, μετατρεπόμενα σε νετρίνα του μιονίου ή ταυ. Το πείραμα του Ντέιβις ήταν ευαίσθητο μόνο στα νετρίνα του ηλεκτρονίου και για τον λόγο αυτό ανίχνευε μόνο το ένα τρίτο των νετρίνων απ’ όσα περίμεναν.  Το αποτέλεσμα αυτό επιβεβαιώθηκε στη συνέχεια και από άλλα πειράματα.

Βιβλιογραφία:
1.Bruce A. Schumm, «Η μαγεία της σωαμτιδιακής φυσικής», εκδόσεις πουκαμισάς
2.Paul Davies, Julian Brawn, «Υπερχορδές, η θεωρία των πάντων;», εκδόσεις κάτοπτρο
3. Joao Magueijo, «Ο άνθρωπος νετρίνο»
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_particle