Sme zaplavení neutrínami. Patria medzi najľahšie z týchto dvoch tuctov známych subatomárnych častíc a prichádzajú zo všetkých smerov: z Veľkého tresku, ktorý začal vesmír, z vybuchujúcich hviezd a predovšetkým zo slnka. Prichádzajú priamo cez Zem takmer rýchlosťou svetla, po celý deň, v noci i v noci, v obrovských množstvách. Každú sekundu prechádza cez naše telo okolo 100 biliónov neutrín.
Súvisiaci obsah
- Otvorenie podivných portálov vo fyzike
Problém pre fyzikov je v tom, že neutrína sú neviditeľné a je ťažké ich odhaliť. Každý nástroj, ktorý je na to navrhnutý, sa môže na dotyk cítiť solídne, ale neutrína, dokonca aj nehrdzavejúca oceľ, je väčšinou prázdny priestor, tak široký, ako je slnečný systém, je kométe. Navyše neutrína, na rozdiel od väčšiny subatomárnych častíc, nemajú žiadny elektrický náboj - sú neutrálne, odtiaľ názov - takže vedci nemôžu na ich zachytenie použiť elektrické alebo magnetické sily. Fyzici ich nazývajú „duchové častice“.
Aby sa zachytili tieto nepolapiteľné entity, fyzici vykonali niekoľko mimoriadne ambicióznych experimentov. Aby neutrína neboli zamieňané s kozmickými lúčmi (subatomárne častice z vesmíru, ktoré neprepúšťajú Zem), sú detektory inštalované hlboko pod zemou. Obrovské boli umiestnené do zlatých a niklových baní, do tunelov pod horami, do oceánu a antarktického ľadu. Tieto podivne krásne zariadenia sú pamätníky ľudského odhodlania dozvedieť sa o vesmíre.
Nie je jasné, aké praktické aplikácie prinesie štúdium neutrín. „Nevieme, kam to povedie, “ hovorí Boris Kayser, teoretický fyzik vo Fermilabe v Batavii v štáte Illinois.
Fyzici študujú neutrína čiastočne preto, že neutrína sú také zvláštne znaky: zdá sa, že porušujú pravidlá, ktoré charakterizujú prírodu tým najdôležitejším. A ak fyzici niekedy naplnia svoje nádeje na rozvoj koherentnej teórie reality, ktorá bez výnimky vysvetlí základy prírody, budú musieť zodpovedať za správanie neutrín.
Vedci neutrína navyše navádzajú vedcov, pretože častice sú poslami z vonkajších dosahov vesmíru, ktoré vznikli násilným výbuchom galaxií a iných záhadných javov. "Neutrinos nám môžu povedať veci, ktoré viac humdrových častíc nemôže, " hovorí Kayser.
Fyzici si neutrína predstavovali dlho predtým, ako vôbec nejaké našli. V roku 1930 vytvorili koncept na vyrovnanie rovnice, ktorá sa nedala. Keď sa jadro rádioaktívneho atómu rozpadne, energia častíc, ktoré emituje, sa musí rovnať energii, ktorú pôvodne obsahovala. Vedci však pozorovali, že jadro stráca viac energie, než zachytávali detektory. Fyzik Wolfgang Pauli preto, aby vysvetlil túto mimoriadnu energiu, vymyslel extra neviditeľnú časticu emitovanú jadrom. "Dnes som urobil niečo veľmi zlé navrhnutím častice, ktorú nemožno zistiť, " napísal Pauli vo svojom časopise. "Je to niečo, čo by teoretik nemal nikdy urobiť."
Experimentalisti to napriek tomu začali hľadať. V laboratóriu pre jadrové zbrane v Južnej Karolíne v polovici päťdesiatych rokov umiestnili dva veľké vodné nádrže mimo jadrového reaktora, ktoré podľa ich rovníc mali za sekundu vyrobiť desať biliónov neutrín. Detektor bol podľa súčasných štandardov malý, ale stále dokázal spozorovať neutrína - tri hodiny za hodinu. Vedci zistili, že navrhované neutrino bolo v skutočnosti skutočné; štúdia urýchlených nepolapiteľných častíc.
O desať rokov neskôr sa pole zväčšilo, keď iná skupina fyzikov nainštalovala detektor v zlatej bani Homestake, v Lead, South Dakota, 4 850 stôp pod zemou. V tomto experimente sa vedci rozhodli pozorovať neutrína monitorovaním toho, čo sa stane zriedkavo, keď sa neutríno zráža s atómom chlóru a vytvára rádioaktívny argón, ktorý je ľahko zistiteľný. Jadrom experimentu bola nádrž naplnená 600 ton kvapaliny bohatej na chlór, perchlóretylén, tekutina používaná pri chemickom čistení. Vedci každých pár mesiacov vypláchnu nádrž a extrahujú asi 15 atómov argónu, čo je dôkaz o 15 neutrínach. Monitorovanie pokračovalo viac ako 30 rokov.
Vedci v Japonsku dúfajú, že vo väčšom počte zistia neutrína, a viedli experiment v hĺbke 3 300 stôp v zinkovej bani. Super-Kamiokande alebo Super-K, ako je známe, začali fungovať v roku 1996. Detektor pozostáva z 50 000 ton vody v klenutej nádrži, ktorej steny sú pokryté 13 000 svetelnými snímačmi. Senzory detekujú občasný modrý záblesk (príliš slabý na to, aby naše oči videli), ktorý vznikne, keď sa neutríno zráža s atómom vo vode a vytvorí elektrón. A sledovaním presnej cesty, ktorou elektrón cestoval vo vode, mohli fyzici odvodiť zdroj zrážaného neutrína vo vesmíre. Zistili, že väčšina pochádza zo slnka. Merania boli dostatočne citlivé na to, aby Super-K mohla sledovať slnečnú dráhu po oblohe a z takmer míle pod zemským povrchom sledovala deň ako sa mení na noc. „Je to skutočne vzrušujúce, “ hovorí Janet Conrad, fyzik z Massachusetts Institute of Technology. Stopy častíc môžu byť zostavené tak, aby vytvorili „krásny obraz, obraz slnka v neutrinách“.
Experimenty Homestake a Super-K však nezistili toľko neutrín, aké fyzici očakávali. Výskum v Sudbury Neutrino Observatory (SNO, vyhlásený za „sneh“) určil prečo. Nainštalované v niklovej bani s hĺbkou 6 800 stôp v Ontáriu obsahuje 1 100 ton „ťažkej vody“, ktorá má nezvyčajnú formu vodíka, ktorá relatívne ľahko reaguje s neutrínmi. Kvapalina je v nádrži zavesená vo vnútri obrovskej akrylovej gule, ktorá je sama držaná vo vnútri geodetickej nadstavby, ktorá absorbuje vibrácie a na ktorej sú zavesené 9 456 svetelných senzorov - to všetko vyzerá ako ozdoba na vianočný strom vysoká 30 stôp.
Vedci pracujúci v SNO v roku 2001 objavili, že neutríno sa môže spontánne prepínať medzi tromi rôznymi identitami - alebo, ako hovoria fyzici, osciluje medzi tromi príchuťami. Objav mal prekvapujúce dôsledky. Na jednej strane to ukázalo, že predchádzajúce experimenty detegovali oveľa menej neutrín, ako sa predpokladalo, pretože nástroje boli naladené iba na jednu neutrínovú príchuť - druh, ktorý vytvára elektrón - a chýbali tie, ktoré prešli. Na druhej strane zistenie zvrátilo presvedčenie fyzikov, že neutríno, podobne ako fotón, nemá hmotnosť. (Osciluje medzi príchuťami, je schopná robiť iba častice s hmotnosťou.)
Koľko má neutrína? Fyzici zistia, že stavajú KATRIN - experiment z Karlsruhe Tritium Neutrino. Obchodný koniec spoločnosti KATRIN sa môže pochváliť 200-tonovým prístrojom nazývaným spektrometer, ktorý meria hmotnosť atómov pred a po rádioaktívnom rozklade, čím odhalí, koľko hmotnosti neutríno prenáša. Technici postavili spektrometer asi 250 kilometrov od Karlsruhe v Nemecku, kde bude experiment prebiehať; zariadenie bolo príliš veľké na úzke cesty v regióne, takže ho položili na loď na rieke Dunaj a vznášali sa okolo Viedne, Budapešti a Belehradu, do Čierneho mora, cez Egejské more a Stredozemné more, okolo Španielska, cez Lamanšský prieliv., do Rotterdamu a na Rýn, potom na juh k riečnemu prístavu v Leopoldshafene v Nemecku. Tam to bolo vyložené na kamión a vŕzlo mestom do jeho cieľa, o dva mesiace a 5 600 míľ neskôr. Začiatok zberu dát je naplánovaný na rok 2012.
Fyzici a astronómovia zaujímajúci sa o informácie, ktoré môžu mať neutrína z vesmíru o supernovách alebo zrážajúcich sa galaxiách, založili neutrínové „teleskopy“. Jeden, nazývaný IceCube, sa nachádza v ľadovom poli v Antarktíde. Po dokončení bude v roku 2011 pozostávať z viac ako 5 000 senzorov modro-svetla (pozri obrázok vyššie). Senzory nie sú namierené proti oblohe, ako by ste mohli očakávať, ale smerom k zemi, aby detegovali neutrína zo slnka a vesmíru, ktoré prichádzajú planétou zo severu. Zem blokuje kozmické lúče, ale väčšina neutrín sa zipsom planéty šírky 8 000 kilometrov akoby akoby tam nebola.
Experiment s neutrínmi na veľké vzdialenosti sa uskutočňuje v niekoľkých štátoch Stredozápadu. Vysokoenergetický urýchľovač, ktorý vytvára subatomárne častice, vystrelí lúče neutrín a príbuzných častíc až šesť kilometrov hlboko pod severnú Illinois, cez Wisconsin a do Minnesoty. Častice začínajú vo Fermilabe, ako súčasť experimentu s názvom Hlavný injektor Neutrino Oscillation Search (MINOS). Za necelé tri tisíciny sekundy zasiahli detektor v Soudanskej železnej bani vzdialenej 450 míľ. Údaje, ktoré vedci zhromaždili, komplikujú ich obraz tohto nekonečného sveta: teraz sa zdá, že exotické formy neutrín, takzvané antineutrína, sa nemusia riadiť rovnakými pravidlami oscilácie ako iné neutrína.
„Čo je v pohode, “ hovorí Conrad, „to nie je to, čo sme očakávali.“
Pokiaľ ide o neutrína, je ich veľmi málo.
Posledná kniha Ann Finkbeinerovej, Grand a Bold Thing, je o prieskume Sloan Digital Sky Survey, o snahe zmapovať vesmír.
Väčšina neutrín, ktoré nás bombardujú, pochádza zo slnka, ktoré sú tu zobrazené na ultrafialovom obrázku. (NASA) 
Úžasný detektor Super-Kamiokande v Japonsku je obložený 13 000 senzormi, ktoré určujú príznaky neutrín. Pracovníci na lodi monitorujú zariadenie, keď sa naplní vodou. (Observatórium Kamioka, ICRR (Inštitút pre výskum kozmických lúčov), Tokijská univerzita) 
V sérii reakcií v slnečnom jadre atómy vodíka vytvárajú hélium fúziou. Tento proces uvoľňuje energiu a subatomárne častice vrátane neutrín. Keď fotón alebo častica svetla opúšťa husté jadro slnka, uviazne v horúčave a zúrivosti a nemusí sa k nám dostať milióny rokov. Ale solárne neutrino je nezasiahnuté a dosiahne Zem za osem minút. (Samuel Velasco / 5W infografika) 
Kanadské observatórium Sudbury Neutrino Observatory potvrdilo, že neutrino môže zmeniť svoju identitu. (SNO) 
Fyzici v národnom laboratóriu v Brookhavene v New Yorku, ukázaní tu v detektore STAR v laboratóriu, dúfajú, že zastrelia neutrínový lúč pod zem do dolu Homestake v Južnej Dakote. (BNL) 
MINOS neutrínový detektor v Minnesote je terčom lúčov neutrín vystreľovaných z Illinois. (Fermilab Visual Media Services) 
KATRIN spektrometer, ktorý bude merať hmotu neutrína, stlačený cez Leopoldshafena, Nemecko, na ceste do laboratória. (Karlsruhe technologický inštitút) 
Detektor neutrín IceCube v Antarktíde je zabudovaný do ľadu. S 5 000 senzormi pripojenými k viac ako 70 linkám bude IceCube hľadať neutrína, ktoré prešli planétou 8 000 kilometrov. (Wisconsinská univerzita - Madison) 
Reťazec senzorov zostupuje do hĺbky 8 000 stôp. (Jim Haugen / Národná vedecká nadácia)
