Οι Takaaki Kajita και Arthur B. McDonald ως επικεφαλείς των δυο μεγάλων πειραμάτων, Super-Kamiokande και Sudbury Neutrino Observatory (SNO) αντίστοιχα, απέδειξαν ότι τα νετρίνα είναι σωματίδια – χαμαιλέοντες που μεταμορφώνονται κατά τη διάρκεια της πτήσης των, ανοίγοντας νέους δρόμους στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Και γι αυτό βραβεύθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής 2015.
Νετρίνα: τα σωματίδια – χαμαιλέοντες
Το κυνήγι των νετρίνων έλαβε χώρα βαθιά μέσα στη Γη, εκεί όπου βρίσκονται οι εγκαταστάσεις των γιγαντιαίων εργαστηρίων Super-Kamiokande και SNO. Η ερευνητική ομάδα του Takaaki Kajita το 1998 παρουσίασε την ανακάλυψή της ότι τα νετρίνα υφίστανται μεταμόρφωση, αλλάζουν ταυτότητες στην πορεία τους προς τον ανιχνευτή Super-Kamiokande στην Ιαπωνία [Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos]. Τα νετρίνα που ανίχνευε ο ανιχνευτής Super-Kamiokande προέκυπταν από τις αντιδράσεις των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα της Γης.
Εν τω μεταξύ στην άλλη πλευρά του πλανήτη, οι ερευνητές του ανιχνευτή SNO (Sudbury Neutrino Observatory) στον Καναδά, μελετούσαν τα νετρίνα που παράγονται στο εσωτερικό του Ήλιου εξαιτίας των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης. Το 2001, η ερευνητική ομάδα του SNO με επικεφαλής τον Arthur B. McDonald, απέδειξε ότι αυτά τα νετρίνα αλλάζουν επίσης την ταυτότητά τους [Measurement of the rate of νe+d→p+p+e– interactions produced by 8B solar neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory].
Και τα δυο πειράματα μαζί απέδειξαν ένα νέο φαινόμενο – τις ταλαντώσεις των νετρίνων. Ένα επιπλέον συμπέρασμα από αυτά τα πειράματα είναι ότι η μάζα ηρεμίας των νετρίνων δεν είναι μηδέν, όπως θεωρείτο μέχρι τότε. Αυτό ήταν ένα συμπέρασμα θεμελιώδους σημασίας για την φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων και για την κοσμολογία.
Τα φευγαλέα σωματίδια
Ζούμε σ’ έναν κόσμο από νετρίνα. Χιλιάδες δισεκατομμύρια νετρίνα διασχίζουν το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο. Δεν μπορείτε να τα δείτε, ούτε να τα αισθανθείτε. Τα νετρίνα κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και αλληλεπιδρούν σπάνια με την ύλη. Από πού προέρχονται;
Κάποια δημιουργήθηκαν ήδη κατά διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης και άλλα δημιουργούνται συνεχώς σε διάφορες διεργασίες στο διάστημα και στη Γη – στο εσωτερικό άστρων όπως ο ήλιος, κατά την έκρηξη των υπερκαινοφανών αστέρων (σουπερνόβα), στις αντιδράσεις των πυρηνικών εργοστασίων και κατά τη διάρκεια των φυσικών ραδιενεργών διασπάσεων.
Ακόμα και στο εσωτερικό του σώματός μας σε κάθε δευτερόλεπτο απελευθερώνονται περίπου 5000 νετρίνα εξαιτίας των ραδιενεργών διασπάσεων του καλίου.
Πάντως τα περισσότερα νετρίνα που φθάνουν στη Γη προέρχεται από τις πυρηνικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στο εσωτερικό του Ήλιου.
Τα νετρίνα καταλαμβάνουν τη δεύτερη θέση, όσον αφορά τον αριθμό τους σε ολόκληρο το σύμπαν, μετά τα σωματίδια του φωτός, τα φωτόνια, που καταλαμβάνουν την πρώτη θέση.
Η ύπαρξη του νετρίνου προτάθηκε στις 4 Δεκεμβρίου του 1930 από τον Wolfgang Pauli (βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής το 1945) σε μια απεγνωσμένη προσπάθεια να εξηγήσει την αρχή διατήρησης της ενέργειας στην διάσπαση βήτα.
Διαβάστε σχετικά: Το νετρίνο διασώζει την αρχή διατήρησης της ενέργειας
Σύντομα ο Ιταλός Enrico Fermi (βραβεύθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1938) κατάφερε να διατυπώσει μια κομψή θεωρία η οποία περιλάμβανε και ένα ελαφρύ, ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο, που ονομάστηκε νετρίνο. Κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί ότι αυτό το μικροσκοπικό σωματίδιο θα δημιουργούσε επανάσταση και στην σωματιδιακή φυσική και στην κοσμολογία.
Πέρασαν αρκετά χρόνια μέχρι να ανιχνευθεί το νετρίνο, στην δεκαετία του 1950, όταν άρχισαν να παράγεται πολύ μεγάλος αριθμός νετρίνων στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Τον Ιούνιο του 1956, δυο Αμερικανοί φυσικοί, ο Frederick Reines (βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής το 1995) και ο Clyde Cowan έστειλαν ένα τηλεγράφημα στον Pauli – ότι τα νετρίνα άφησαν τα ίχνη τους στον ανιχνευτή τους. Έτσι αποδείχθηκε ότι το σωματίδιο – φάντασμα ήταν ένα πραγματικό σωματίδιο.
Ένα ιδιόμορφο τρίο
Φέτος η επιτροπή των Νόμπελ βράβευσε μια ανακάλυψη που έλυσε το μακροχρόνιο παζλ με τα νετρίνα. Από την δεκαετία του 1960 οι φυσικοί είχαν υπολογίσει θεωρητικά τον αριθμό των νετρίνων που δημιουργούσαν οι πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του Ήλιου. Όμως τα πειράματα ανίχνευσης των ηλιακών νετρίνων έδειχναν ότι στη Γη φτάνει μόνο το 1/3 του αριθμού των νετρίνων που έδιναν οι θεωρητικοί υπολογισμοί.
Ήταν λάθος οι θεωρητικοί υπολογισμοί; Αυτό ήταν η μια πρόταση που ερευνήθηκε διεξοδικά, χωρίς όμως κάποιο αποτέλεσμα.
Μια άλλη πρόταση ήταν ότι κατά τη διάρκεια της διαδρομής τους από τον Ήλιο μέχρι τη Γη τα νετρίνα άλλαζαν «ταυτότητα». Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων – τα νετρίνα του ηλεκτρονίου (νe), νετρίνα του μιονίου(νμ) και νετρίνα του ταυ(ντ). Στον Ήλιο παράγονται μόνο νετρίνα του ηλεκτρονίου. Αν όμως αυτά στην πορεία τους προς τη Γη μετατρέπονται σε νετρίνα του μιονίου και του ταυ, τότε θα μπορούσε να εξηγηθεί το έλλειμμα που παρατηρούνταν στα νετρίνα του ηλεκτρονίου που έφταναν στη Γη.
Ανιχνεύοντας νετρίνα κάτω από το έδαφος
Οι υποθέσεις σχετικά με την αλλαγή ταυτότητας των νετρίνων παρέμεναν απλά υποθέσεις, μέχρι να κατασκευαστούν όλο και μεγαλύτεροι και πιο περίπλοκοι ανιχνευτές. Επρόκειτο για ανιχνευτές που χτίστηκαν βαθειά κάτω από έδαφος, σε παλιά ορυχεία, για να προστατεύονται από τον θόρυβο που προκαλεί η κοσμική ακτινοβολία από το διάστημα και οι τυχαίες ραδιενεργές διασπάσεις από το περιβάλλον. Αλλά και κάτω από το έδαφος, είναι πολύ δύσκολο να ξεχωρίσει κανείς τα λίγα σήματα που προκαλούν τα αληθινά νετρίνα από τα δισεκατομμύρια «ψεύτικων» σημάτων. Ακόμα και ο αέρας στα ορυχεία αλλά και τα υλικά του ανιχνευτή περιέχουν ραδιενεργά στοιχεία των οποίων οι διασπάσεις παρεμποδίζουν τις μετρήσεις.
Ο ανιχνευτής Super-Kamiokande άρχισε να λειτουργεί το 1996, σε ένα ορυχείο ψευδαργύρου, 250 χιλιόμετρα νοτιο-δυτικά του Τόκιο, ενώ ο ανιχνευτής του Sudbury Neutrino Observatory που συναρμολογήθηκε σε ένα ορυχείο νικελίου στο Οντάριο, και άρχισε τις παρατηρήσεις το 1999.
Και οι δυο ανιχνευτές θα αποκάλυπταν την χαμαιλεόντια φύση των νετρίνων, μια ανακάλυψη που τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ φυσικής 2015.
O Super-Kamiokande είναι ένα γιγάντιος ανιχνευτής χτισμένος 1000 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της Γης. Αποτελείται από μια δεξαμενή γεμάτη με 50.000 τόνους νερού. Το νερό είναι τόσο καθαρό που οι φωτεινές ακτίνες ταξιδεύουν 70 μέτρα μέχρι η έντασή τους να μειωθεί στο μισό – στο νερό μιας συνηθισμένης πισίνας αυτό συμβαίνει μετά από μερικά μέτρα. Περισσότεροι από 11.000 φωτοανιχνευτές είναι τοποθετημένοι στα πλάγια, στο πάνω και κάτω μέρος της δεξαμενής και σκοπό έχουν μετρήσουν τις ασθενείς εκλάμψεις φωτός στο υπερ – καθαρό νερό.
Ένα νετρίνο που διέρχεται μέσα από την δεξαμενή είναι πιθανό να αλληλεπιδράσει στο νερό με έναν ατομικό πυρήνα ή ένα ηλεκτρόνιο. Από τις συγκρούσεις αυτές παράγονται φορτισμένα σωματίδια – μιόνια από νετρίνα του μιονίου και ηλεκτρόνια από τα νετρίνα του ηλεκτρονίου.
Γύρω από τα φορτισμένα σωματίδια δημιουργούνται εκλάμψεις μπλε φωτός, την ακτινοβολία Cherenkov. Το σχήμα και η ένταση της ακτινοβολίας Cherenkov αποκαλύπτει τον τύπο του νετρίνου που την προκάλεσε.
Ο Super-Kamiokande ανιχνεύει νετρίνα που δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα της Γης. Όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με ένα μόριο νερού στην δεξαμενή, παράγεται ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο που κινείται πολύ γρήγορα. Αυτό δημιουργεί την ακτινοβολία Cherenkov η οποία καταγράφεται από τους αισθητήρες φωτός. Το σχήμα και η ένταση της ακτινοβολίας Cherenkov αποκαλύπτει αφενός μεν το είδος των νετρίνων που την προκάλεσε αλλά και την κατέυθυνση προέλευσής τους. Τα νετρίνα του μιονίου που έφταναν στον SuperKamiokande από πάνω ήταν πολύ περισσότερα από αυτά που εισέρχονταν από το κάτω μέρος, αφού είχαν διασχίσει όλη την υδρόγειο. Αυτό έδειχνε ότι τα νετρίνα του μιονίου τα οποία ταξίδευαν περισσότερο είχαν το χρόνο να αλλάξουν την ταυτότητά τους.
Η επίλυση του αινίγματος
Στα δυο πρώτα χρόνια της λειτουργίας του Super-Kamiokande συλλέχθηκαν περίπου 5000 σήματα νετρίνων. Αυτά ήταν πολύ περισσότερα σε σχέση με προηγούμενα πειράματα, αλλά ο αριθμός τους ήταν μικρότερος σε σχέση με τον αριθμό των νετρίνων που περίμεναν οι επιστήμονες να δημιουργούνται από την κοσμική ακτινοβολία. Τα σωματίδια της κοσμικής ακτινοβολίας έρχονται από όλες τις κατευθύνσεις και όταν αυτά συγκρούονται με υψηλές ταχύτητες με τα μόρια της ατμόσφαιρας δημιουργούνται νετρίνα.
Ο Super-Kamiokande ανιχνεύει νετρίνα του μιονίου που έρχονται κατευθείαν από πάνω από την ατμόσφαιρα, καθώς επίσης και αυτά που συναντούν τον ανιχνευτή από κάτω, αφού έχουν διασχίσει ολόκληρη τη Γη, η οποία δεν αποτελεί σημαντικό εμπόδιο γι αυτά. Ο αριθμός των νετρίνων που έφταναν από τις δυο κατευθύνσεις θα έπρεπε να είναι ίδιος. Αλλά τα νετρίνα του μιονίου που έφταναν στον ανιχνευτή κατευθείαν από το πάνω μέρος του ανιχνευτή ήταν περισσότερα από αυτά που είχαν διασχίσει όλη την υδρόγειο.
Αυτό έδειχνε ότι τα νετρίνα του μιονίου που ταξίδευαν περισσότερο είχαν επιπλέον χρόνο για να αλλάξουν ταυτότητα. Ενώ τα νετρίνα του μιονίου που έρχονταν κατευθείαν από πάνω και είχαν ταξιδέψει μόνο μερικές δεκάδες χιλιόμετρα, δεν προλάβαιναν να μεταμορφωθούν. Καθώς ο αριθμός των νετρίνων του ηλεκτρονίου που έφταναν από διαφορετικές κατευθύνσεις ήταν σε συμφωνία με το αναμενόμενο, τα νετρίνα του μιονίου έπρεπε να είχαν μεταμορφωθεί στον τρίτο τύπο νετρίνων – σε νετρίνα του ταυ. Ωστόσο, η διέλευση αυτού του είδους των νετρίνων δεν μπορούσε να παρατηρηθεί στον ανιχνευτή.
Ένα καθοριστικό κομμάτι του παζλ μπήκε στη θέση του όταν ο ανιχνευτής SNO (Sudbury Neutrino Observatory), πραγματοποίησε μετρήσεις των νετρίνων που προέρχονται από τον Ήλιο, όπου οι πυρηνικές αντιδράσεις παράγουν νετρίνα του ηλεκτρονίου. Δυο χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια της Γης τα ορμητικά νετρίνα του ηλεκτρονίου καταγράφονταν από τους 9500 φωτοανιχνευτές σε μια δεξαμενή γεμάτη με 1000 τόνους βαρέος ύδατος. Υπενθυμίζεται ότι στο βαρύ ύδωρ στη θέση του απλού υδρογόνου περιέχεται το ισότοπο του υδρογόνου, το δευτέριο, του οποίου ο πυρήνας περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο.
O ανιχνευτής νετρίνων Sudbury Neutrino Observatory ανιχνεύει νετρίνα που παράγονται στον Ήλιο, όπου παράγονται μόνο νετρίνα του ηλεκτρονίου. Οι αντιδράσεις μεταξύ νετρίνων και νερού (για την ακρίβεια βαρύ ύδωρ) δίνουν την δυνατότητα να ταυτοποιηθούν και οι τρεις τύποι νετρίνων. Ανακαλύφθηκε ότι τα νετρίνα του ηλεκτρονίου ήταν λιγότερα των αναμενομένων, ενώ ο συνολικός αριθμός και των τριών τύπων νετρίνων συμφωνούσε με το αναμενόμενο. Το συμπέρασμα ήταν ότι κάποια νετρίνα του ηλεκτρονίου είχαν αλλάξει ταυτότητα.
Οι πυρήνες του δευτερίου προσφέρουν επιπλέον δυνατότητες για τα νετρίνα που συγκρούονται στο εσωτερικό του ανιχνευτή. Πραγματοποιούνται αντιδράσεις που προσδιορίζουν την ποσότητα των νετρίνων του ηλεκτρονίου και άλλες που επιτρέπουν στους επιστήμονες να μετρήσουν την ποσότητα και των τριών τύπων νετρίνων, χωρίς όμως να διακρίνουν το κάθε είδος.
Δεδομένου ότι μόνο τα νετρίνα του ηλεκτρονίου έπρεπε να φτάνουν από τον Ήλιο, και οι δυο τρόποι μέτρησης του αριθμού των νετρίνων θα έπρεπε να δώσουν το ίδιο αποτέλεσμα. Συνεπώς, εάν ανιχνεύονται λιγότερα σε αριθμό νετρίνα του ηλεκτρονίου σε σχέση με το σύνολο και των τριών τύπων νετρίνων, αυτό αποδεικνύει ότι κάτι είχε συμβεί σ’ αυτά κατά την διάρκεια της διαδρομής τους από τον Ήλιο στη Γη (150.000.000 χιλιόμετρα).
Διαβάστε σχετικά: «Τα νετρίνα «αποκαλύπτουν» την κόλαση στο εσωτερικό του Ήλιου» ή «Νετρίνα αποκαλύπτουν μια σπάνια αστρική σύντηξη«
Από τα 60 δισεκατομμύρια νετρίνα ανά τετραγωνικό εκατοστό που φτάνουν στη Γη ανά δευτερόλεπτο, ο ανιχνευτής SNO κατέγραφε μόνο τρία την ημέρα στα δύο πρώτα χρόνια της λειτουργίας του. Αυτό αντιστοιχούσε στο ένα τρίτο του αναμενόμενου αριθμού νετρίνων του ηλεκτρονίου που θα έπρεπε να «αλιεύσει» ο ανιχνευτής. Τα δυο τρίτα είχαν εξαφανιστεί. Όμως το άθροισμα, αν μετρηθούν και οι τρεις τύποι μαζί, αντιστοιχούσε στον αναμενόμενο αριθμό νετρίνων. Το συμπέρασμα ήταν πως τα νετρίνα του ηλεκτρονίου θάπρεπε να έχουν αλλάξει ταυτότητα στη διαδρομή.
Μεταμόρφωση στον κβαντικό κόσμο
Τα δυο πειράματα επιβεβαίωσαν την υποψία ότι τα νετρίνα μπορούν να αλλάξουν την ταυτότητά τους. Η ανακάλυψη ενέπνευσε πολλά νέα πειράματα και ανάγκασαν τους φυσικούς των σωματιδίων να σκέφτονται με διαφορετικό τρόπο.
Τα δυο αυτά πειράματα οδήγησαν επίσης σε ένα πρωτοποριακό συμπέρασμα: η μεταμόρφωση των νετρίνων προϋποθέτει ότι τα νετρίνα έχουν μάζα, διαφορετικά δεν θα άλλαζαν. Πως λοιπόν προκύπτει αυτή η μεταμόρφωση; Η κβαντική φυσική μπορεί να εξηγήσει αυτό το «μαγικό».
Στον κβαντικό κόσμο τα σωματίδια και τα κύματα είναι οι διαφορετικές όψεις της ίδιας φυσικής κατάστασης. Ένα σωματίδιο με συγκεκριμένη ενέργεια περιγράφεται από ένα αντίστοιχο κύμα συγκεκριμένης συχνότητας. Στην κβαντική φυσική τα νετρίνα, -του ηλεκτρονίου, -του μιονίου , -του ταυ, παριστάνονται από υπέρθεση κυμάτων που αντιστοιχούν σε καταστάσεις νετρίνων με διαφορετικές μάζες.
Όταν τα κύματα βρίσκονται σε φάση δεν είναι δυνατόν να γίνει διάκριση μεταξύ των διαφορετικών καταστάσεων του νετρίνου. Καθώς τα νετρίνα ταξιδεύουν στο χώρο τα κύματα παύουν να είναι συμφασικά. Κατά μήκος της διαδρομής τα κύματα υπερτίθενται με διάφορους τρόπους. Η υπέρθεση σε οποιαδήποτε δεδομένη θέση δίνει την πιθανότητα για το είδος του νετρίνου που μπορεί να βρεθεί εκεί. Οι πιθανότητες μεταβάλλονται από το ένα σημείο στο άλλο, ταλαντώνονται, και τα νετρίνα εμφανίζονται στις διάφορες ταυτότητες.
Αυτή η περίεργη συμπεριφορά οφείλεται επομένως στις διαφορές των μαζών των νετρίνων. Τα πειράματα δείχνουν ότι αυτές οι διαφορές είναι εξαιρετικά μικρές. Η μάζα του νετρίνου εκτιμάται ότι είναι επίσης πολύ μικρή, παρότι δεν έχει μετρηθεί ποτέ άμεσα. Παρά την ελάχιστη μάζα τους τα νετρίνα υπάρχουν σε τεράστιες ποσότητες στο σύμπαν, οπότε το άθροισμα των πολύ μικρών μαζών τους μπορεί να γίνει σημαντικό. Η μάζα του συνόλου των νετρίνων του σύμπαντος εκτιμάται ότι είναι περίπου ίσο με τη μάζα όλων των ορατών άστρων στο σύμπαντος.
Νέα φυσική
Η ανακάλυψη ότι τα νετρίνα έχουν μάζα είχε τεράστιο αντίκτυπο στην σωματιδιακή φυσική. Το Καθιερωμένο Πρότυπο η θεωρία που περιέγραφε με εξαιρετική επιτυχία τον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων είχε αντισταθεί σε όλες τις πειραματικές προκλήσεις. Αλλά στο Καθιερωμένο Πρότυπο τα νετρίνα δεν έχουν μάζα.
Συνεπώς τα πειράματα των ανιχνευτών Super-Kamiokande και Sudbury Neutrino Observatory αποκάλυψαν το πρώτο εμφανές ρήγμα στο Καθιερωμένο Πρότυπο.
Πλέον είναι φανερό ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν μπορεί δεν μπορεί να αποτελέσει μια πλήρη θεωρία για τα θεμελιώδη συστατικά του σύμπαντος.
Για να πάμε λοιπόν ένα βήμα πιο πέρα όσον αφορά την κατανόηση του μικρόκοσμου και του σύμπαντος, μεταξύ άλλων, πρέπει να απαντηθούν πολλά βασικά ερωτήματα σχετικά με τη φύση των νετρίνων.
Ποιες είναι οι μάζες των νετρίνων; Γιατί είναι τόσο ελαφριά; Υπάρχουν κι άλλα είδη νετρίνων πέρα από τα 3 γνωστά είδη; Τι συμβαίνει με τα αντισωματίδιά τους; Γιατί τα νετρίνα είναι τόσο διαφορετικά από τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια;
Η ανακάλυψη που βραβεύθηκε φέτος με το Νόμπελ Φυσικής προσέφερε κρίσιμα συμπεράσματα σχετικά με τον άγνωστο κόσμο των νετρίνων.
Τα πειράματα που ερευνούν τις ιδιότητες των νετρίνων συνεχίζονται με έντονους ρυθμούς σε όλο τον κόσμο. Οι νέες ανακαλύψεις από τον μυστηριώδη κόσμο των νετρίνων αναμένεται να αλλάξει την κατανόησή μας όσον αφορά την προέλευση, την δομή και την εξέλιξη του σύμπαντος.
Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ: www.nobelprize.org
Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
physicsgg 
Πιθανόν να αγνοώ βασικά δεδομένα της σωματιδιακής φυσικής αλλά η ταλάντωση μεταξύ των 3 μορφών των νετρίνων δεν αντιβαίνει στην αρχή διατήρησης μάζας (και κατ’ επέκτασης της ενέργειας ως συνολικής έκφανσης της υλοενέργειας); Καθόσον οι τρεις τύποι νετρίνων έχουν διαφορετική μάζα;