Νετρίνα και τηλεσκόπια νετρίνων

Posted on 16/10/2020

0


Είναι άραγε δυνατό να «δούμε» το Σύμπαν με «άλλα μάτια» και να συλλέξουμε πληροφορίες που δεν μεταδίδονται με τη μορφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, της κοσμικής ακτινοβολίας και των βαρυτικών κυμάτων;

O ανιχνευτής νετρίνων IceCube στον σταθμό Scott Amundsen στον Νότιο Πόλο Image: Felipe Pedreros, IceCube/NSF

του Αλέξη Δεληβοριά, Διδάκτορα Φυσικής – https://www.eef.edu.gr/el/arthra/netrina-kai-tileskopia-netrinon/

Τα περισσότερα από τα δεδομένα και τις πληροφορίες που έχουμε συλλέξει έως τώρα για το Σύμπαν και τα ουράνια σώματα που εμπεριέχει, προέρχονται από την ανίχνευση και ανάλυση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπουν. Ωστόσο, σημαντικές επιπλέον πληροφορίες συλλέγουμε και με την βοήθεια της κοσμικής ακτινοβολίας, δηλαδή φορτισμένων σωματιδίων (κυρίως πρωτονίων) τα οποία προέρχονται τόσο από τον Ήλιο, όσο και από ορισμένα από τα βιαιότερα φαινόμενα που μπορούν να εκδηλωθούν στο Σύμπαν. Ακριβώς, όμως, επειδή τα σωματίδια αυτά φέρουν φορτίο, ο προσδιορισμός της προέλευσής τους είναι αρκετά δύσκολος, καθώς η αρχική τους πορεία μεταβάλλεται διαρκώς από τα μαγνητικά πεδία του μεσοαστρικού Διαστήματος.

Ένα άλλο «παράθυρο» στο Σύμπαν άνοιξε με την πρώτη ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από τους ανιχνευτές LIGO, που ανακοινώθηκε τον Φεβρουάριο του 2016. Πραγματικά, η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων δεν είναι μόνο ένα νέο και εκπληκτικό «εργαλείο» για την μελέτη των μαύρων οπών, των αστέρων νετρονίων και των άλλων βίαιων φαινομένων του Σύμπαντος, αλλά με την βοήθειά τους ανοίγει ένα καινούργιο «κεφάλαιο» στην μελέτη του «βρεφικού» Σύμπαντος, που από τη φύση του είναι αδιαφανές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Τίθεται λοιπόν το ερώτημα: είναι άραγε δυνατό να «δούμε» το Σύμπαν με «άλλα μάτια» και να συλλέξουμε πληροφορίες που δεν μεταδίδονται με τη μορφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, της κοσμικής ακτινοβολίας και των βαρυτικών κυμάτων; Η απάντηση στο ερώτημα αυτό είναι καταφατική και την δυνατότητα αυτή μας την προσφέρουν τα νετρίνα.

Σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, τα νετρίνα σχηματίστηκαν σε τεράστιες ποσότητες στα πρώτα στάδια εξέλιξης του «βρεφικού» Σύμπαντος, ενώ παράγονται διαρκώς μέσα από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης στο εσωτερικό των άστρων και εκλύονται στο Διάστημα κατά την διάρκεια των εκρήξεων σουπερνόβα. Η ιδιότητά τους, μάλιστα, να μην αλληλεπιδρούν παρά μόνο φευγαλέα με την υπόλοιπη ύλη τα καθιστά ιδανικά εάν θέλουμε να ανοίξουμε ένα ακόμη παράθυρο μελέτης στο Σύμπαν.

Η ύπαρξη των νετρίνων προβλέφθηκε θεωρητικά το 1930 από τον σπουδαίο θεωρητικό φυσικό Wolfgang Pauli, σε μια εποχή όπου οι επιστήμονες μελετούσαν μεταξύ άλλων και τη ραδιενεργό διάσπαση β, για παράδειγμα τη μετατροπή ενός πρωτονίου του ατομικού πυρήνα σε νετρόνιο, με την παράλληλη εκπομπή ενός ποζιτρονίου (το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου). Το περίεργο στοιχείο αυτής της διάσπασης ήταν ότι παραβίαζε, όπως νόμιζαν τότε οι φυσικοί, την Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας, καθώς τα πειράματά τους έδειχναν ότι η ολική ενέργεια πριν τη διάσπαση ήταν μεγαλύτερη από την ολική ενέργεια μετά τη διάσπαση. Ο Pauli θεώρησε ότι αυτή η «χαμένη» ενέργεια μεταφέρεται από ένα ουδέτερο σωματίδιο το οποίο ήταν αδύνατο να ανιχνευθεί με την τεχνολογία της εποχής του. Το υποθετικό αυτό σωματίδιο ονομάστηκε νετρίνο και η ύπαρξή του επιβεβαιώθηκε το 1956 χάρη στα πειράματα των Clyde Cowan και Fredrick Reines.

διαβάστε σχετικά: Το νετρίνο διασώζει την αρχή διατήρησης της ενέργειας

Στα χρόνια που ακολούθησαν, οι γνώσεις μας γι’ αυτό το φευγαλέο σωματίδιο-φάντασμα διευρύνθηκαν. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε σήμερα ότι τα νετρίνα συγκαταλέγονται ανάμεσα στα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης, ενώ εμφανίζονται σε τρία είδη ή «γεύσεις», καθεμιά απ’ τις οποίες σχετίζεται με ένα φορτισμένο θεμελιώδες σωματίδιο, από το οποίο δανείζεται και το όνομά του. Έτσι, το νετρίνο του ηλεκτρονίου σχετίζεται με το ηλεκτρόνιο, το νετρίνο του μιονίου με το μιόνιο και το νετρίνο ταυ με το σωματίδιο ταυ.

Για αρκετό καιρό, οι φυσικοί θεωρούσαν ότι τα νετρίνα δεν έχουν μάζα και ότι για τον λόγο αυτό ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, όπως δηλαδή και τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ήδη όμως από τα μέσα της δεκαετίας του ‘60 αντιμετώπιζαν ένα παράδοξο, καθώς ο αριθμός των ηλιακών νετρίνων που ανίχνευαν με τα επιστημονικά τους όργανα αντιστοιχούσε μόλις στο ένα τρίτο εκείνου που προέβλεπε η θεωρία. Το παράδοξο  αυτό επιλύθηκε με την διαπίστωση ότι τα νετρίνα έχουν την ιδιότητα να αλλάζουν «γεύση», μεταπηδώντας από το ένα είδος στο άλλο, κάτι που επιβεβαιώθηκε οριστικά χάρη στις πειραματικές μελέτες των Takaaki Kajita και Arthur McDonald, οι οποίοι τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής 2015.

διαβάστε σχετικά: Η αποκάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων (Νόμπελ Φυσικής 2015)

Σύμφωνα, λοιπόν, με το φαινόμενο της ταλάντωσης των νετρίνων, κάποια νετρίνα που ξεκίνησαν τη διαδρομή τους από τον Ήλιο ως νετρίνα ηλεκτρονίου φτάνουν στη Γη ως νετρίνα μιονίου ή νετρίνα ταυ. Αυτό όμως μπορεί να συμβεί μόνο εάν τα νετρίνα έχουν μάζα. Απ’ ό,τι φαίνεται, πάντως, ο πρώτος που διερεύνησε θεωρητικά την πιθανότητα τα νετρίνα να «μεταπηδούν» από το ένα είδος στο άλλο και κατά συνέπεια να έχουν μη μηδενική μάζα ήταν ο φυσικός Bruno Pontercovo, ήδη από τα μέσα του προηγούμενου αιώνα. Γνωρίζουμε σήμερα λοιπόν, ότι τα νετρίνα έχουν απειροελάχιστη μάζα και ως εκ τούτου δεν «αισθάνονται» μόνο την ασθενή πυρηνική αλληλεπίδραση, αλλά και την βαρύτητα.

Εξαιρουμένων των σωματιδίων που απαρτίζουν την σκοτεινή ύλη, τα νετρίνα είναι τα δεύτερα σε αφθονία σωματίδια στο Σύμπαν και μόνο τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι περισσότερα. Έχοντας, όμως, μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο και απειροελάχιστη μάζα, ελάχιστα από αυτά αλληλεπιδρούν με την υπόλοιπη ύλη, γι’ αυτό και η ανίχνευσή τους είναι εξαιρετικά δύσκολη. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε ότι δεκάδες δισ. νετρίνα διαπερνούν κάθε δευτερόλεπτο το σώμα μας, προτού διασχίσουν τον ίδιο τον πλανήτη μας και συνεχίσουν το διαστημικό τους ταξίδι ανεπηρέαστα.

Γι’ αυτόν τον λόγο και οι πειραματικές διατάξεις που τα ανιχνεύουν αναγκαστικά καταλαμβάνουν πολύ μεγάλο όγκο, προκειμένου να τα εντοπίσουν. Το δεύτερο πρόβλημα που καθιστά δύσκολη την ανίχνευση των νετρίνων οφείλεται στην αλληλεπίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας με τα σωματίδια που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα, μέσω της οποίας απελευθερώνονται πολλά άλλα σωματίδια, που «τυφλώνουν» τους ανιχνευτές νετρίνων. Γι’ αυτό και κατά κανόνα οι ανιχνευτές νετρίνων κατασκευάζονται είτε βαθιά στο υπέδαφος, μέσα σε εγκαταλελειμμένα ορυχεία, ώστε τα πετρώματα που τους περιβάλλουν να λειτουργούν ως ασπίδα, «φιλτράροντας» τα σωματίδια αυτά, είτε πιο πρόσφατα κάτω από τους πάγους της Ανταρκτικής και στα βάθη των θαλασσών. Η εγκατάσταση των γιγάντιων αυτών τηλεσκοπίων σε τόσο μεγάλα βάθη αποτελεί μια τεράστια επιστημονική και τεχνολογική πρόκληση, γι’ αυτό και μέχρι πρόσφατα το ενδιαφέρον στρεφόταν κυρίως στην ανάπτυξη της απαραίτητης τεχνογνωσίας με την κατασκευή και την πόντιση πολύ μικρότερων, πειραματικών τηλεσκοπίων νετρίνων. Τελικός στόχος των περισσότερων από τις προσπάθειες αυτές είναι η κατασκευή ενός υποβρύχιου τηλεσκοπίου νετρίνων με όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου, το οποίο θα κατασκευαστεί στη Μεσόγειο, γνωστό ως KM3NeT.

Η αρχή λειτουργίας των τηλεσκοπίων νετρίνων βασίζεται στην ανίχνευση της ακτινοβολίας Cherenkov. Όταν, δηλαδή, κάποιο νετρίνο αλληλεπιδράσει με έναν ατομικό πυρήνα, παράγονται φορτισμένα σωματίδια, τα οποία, καθώς κινούνται με ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός μέσα στο νερό, εκλύουν την χαρακτηριστική μπλε λάμψη της ακτινοβολίας Cherenkov.

Μέχρι στιγμής, το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο νετρίνων είναι το IceCube, που βρίσκεται εγκατεστημένο κοντά στον Νότιο Πόλο, καλύπτοντας όγκο 1 km3. Πρόσφατα, ωστόσο, αστροφυσικοί από την Γερμανία και την Βόρειο Αμερική δημοσίευσαν στο επιστημονικό περιοδικό Nature Astronomy σχέδια για την κατασκευή του Πειράματος Νετρίνων του Ειρηνικού Ωκεανού (P-ONE), δηλαδή του  μεγαλύτερου τηλεσκοπίου νετρίνων, το οποίο θα εγκατασταθεί σε βάθος 2,6 km, περίπου 200 km από τις ακτές του δυτικού Καναδά. Το τηλεσκόπιο αυτό θα έχει τριπλάσιο όγκο από αυτόν του IceCube και θα ανιχνεύει υψηλής ενέργειας νετρίνα, τα οποία παράγονται στην διάρκεια ορισμένων από τα βιαιότερα φαινόμενα του Σύμπαντος. Οι επιστήμονες που εργάζονται στο P-ONE ευελπιστούν ότι η εγκατάσταση αυτού του ανιχνευτή νετρίνων θα έχει ολοκληρωθεί στο τέλος περίπου της δεκαετίας.

Ετικέτα: , ,