muon neutrino oscilacije
( muon neutrini se mogu pretvoriti u elektron neutrine )
Nobelova nagradu za fiziku ove godine ide za otkriće neutrinskih oscilacija, koje pokazuje da neutrini imaju masu" što je usput i dokaz da je standardni fizikalni model nepotpun.
Dobitnici ovogodišnje Nobelove nagrade za fiziku su Takaaki Kajita, Japanac sa Sveučilišta u Tokiju i Arthur B. McDonald, Kanađanin sa Univerziteta Queen's u Kingstonu.
Objasniti neutronske oscilacije na laičkom nivou nije nimalo lak zadatak. Radi se o prirodnoj pojavi iz svijeta elementarnih čestica za čije je razumijevanje potrebno dosta predznanja. Kao prvo, neutrino ne treba mešati s neutronom. Neutron je neutralni nukleon, jedna od dve vrste čestica koje grade atomsku jezgru. Neutron je složena čestica, koja se sastoji od tri kvarka, te ima relativno veliku masu. Neutrino je također neutralna čestica – bez električnog naboja – ali ne složena, nego elementarna, što znači da se ne sastoji od jednostavnijih čestica. Donedavno se uzimalo da je masa neutrina nula, kao i masa fotona – čestice svetlosti. Iz eksperimenata je dotad bilo poznato jedino to da su neutrini iznimno lagane čestice čija je masa, ako uopšte postoji, puno manja od mase najlakše poznate masivne čestice – elektrona.
No, daleko najzanimljivije svojstvo neutrina je iznimno slabo međudelovanje s materijom. Od četiri postojeće temeljne sile za neutrino je relevantna samo jedna –slaba sila. Ta sila menja okuse kvarkova odnosno pretvara jednu vrstu kvarka u drugu. Zahvaljujući slaboj sili slobodni neutron, onaj koji nije u atomskoj jezgri, raspada se na proton, elektron i neutrino (tačnije bi zapravo bilo reći elektronski antineutrino). Čestice prenostitelji, ili medijatori, slabe sile su W-bozon i Z-bozon. Z je također neutralan, a W ima pozitivnu i negativnu varijantu. W i Z-bozoni, ili slabi bozoni, otkriveni su još 1983. godine na CERN-u za što su Nobelovu nagradu bili podelili Carlo Rubbia i Simon van der Meer. Slabi bozoni imaju relativno veliku masu što pak znači da doseg slabe sile jako mali.
Slabost slabe sile najbolje se iskazuje kroz bizarno malu verovatnost da neutrino međudeluje s materijom. Ta verovatnost nije nula, ali je toliko mala da je za neutrino svemir praktički prazan. Kad neutrino jednom nastane on se pokreće, gotovo brzinom svetlosti, kroz prazan prostor ili kroz gustu materiju, svejedno, kao da njegovom putu ničega nema. Može proći kroz celu Zemlju bez da doživi ijednu interakciju. Fizičari stoga za neutrine ponekad kažu da su čestice-duhovi. Kroz naše telo svake sekunde prođe oko bilijun (milion miliona) neutrina. Veliki američki književnik John Updike (1932. - 2009.) bio je toliko impresioniran tom činjenicom da je, 1959. godine, o neutrinima napisao pesmu Cosmic Gall. Tu sam pesmu bio preveo pre šest godina i objavio u časopisu Čovek i svemir. Sad je prilika da se podsetimo Updikeovog doživljaja neutrina:
KOSMIČKA JADIKOVKA
John Updike
Neutrini, oni mali su tako.
Nemaju ni naboja ni mase
I ne međudeluju nikako.
Za njih je Zemlja lopta glupa
Kroz koju jednostavno prolaze,
Kao čistač koji kroz hodnik stupa
Ili fotoni što kroz staklo plaze.
Oni preziru plin najbajniji,
Ignorišu najtvrđi zid,
Hladni čelik i mjed najsjajniji,
Pastuha u staji nije ih stid.
Klasne razlike ništa im ne znače,
I u Vas i u mene se uvlače!
Kao giljotina prolaze nam kroz glavu
I padaju ravno dole u travu.
Noću, kod Nepala ulaze
I probadaju ljubavnike mrsko
Ispod kreveta idu im staze –
Vama je to divno; meni je to drsko.
Veliki izvor neutrina u našem kosmičkom komšiluku je Sunce. Zbog nuklearnih reakcija unutar Sunca na svaki kvadratni centimetar Zemlje svake sekunde sa Sunca stigne sto milijardi neutrina. Taj broj približno odgovara broju zvezda u našoj galaksiji ili broju galaksija u celom svemiru. I većina tih neutrina nas potpuno ignoriše. Prođu kroz Zemlju puno lakše nego svetlost kroz staklo. Mnogi fotoni, naime, "zaglave" u staklu – budu apsorbovni ili raspršeni zbog interakcije s nekim atomom. Neutrini retko kad zaglave. na primer, od svih neutrina koji prođu kroz naše telo u celom životu, a svake sekunde prođe njih bilion, tek jedan interagiše.
Neutrini su očito čestice koje je iznimno teško uhvatiti. Ipak, fizičari su našli način kako da detektuju pojedinačne neutrine koji na Zemlju stižu sa Sunca ili iz dalekih kosmičkih objekata. Spomenute 1983. godine, kad je bila dodeljena Nobelova nagrada za otkriće medijatora slabe sile, Japanci su dovršili gradnju detektora KamiokaNDE. Bio je to ogromni rezervoar ispunjen s 3.000 tona čiste vode čije su unutrašnje stene bile pokrivene fotosenzorima. Svaka dva dana, u proseku, dodađala se jedna interakcija neutrina. To znači da je jedan neutrino "doživeo" interakciju s jednim kvarkom nekog nukleona neke jezgre nekog atoma neke molekule vode. Tokom dvadesetak godina uhvaćeno je par hiljada neutrina. Za te rezultate Nobelovu nagradu dobili su, 2002. godine, Raymond Davis mlađi i Masatoshi Koshiba.
Uspesi detektora KamiokaNDE potaknuli su gradnju drugih neutrinskih detektora. U jednom japanskom rudniku cinka, dubokom 1000 m, proradio je, 1996. godine, detektor Super-Kamiokande s 50.000 tona vode. U drugom rudniku, ovaj put rudniku nikla u Ontariju, pušten je u pogon Neutrinski opservatorij Sudbury, 1999. godine. KamiokaNDE mogao je opažati oko šest neutrina na dan, a Neutrinski opservatorij Sudbury oko tri neutrina na dan. Ta dva detektora zaslužna su za otkriće pojave koje nazivamo neutrinskim oscilacijama.
U standardnom modelu čestica i sila ne postoji samo jedna vrsta neutrina, nego njih tri: elektronski neutrino, mionski neutrino i tau-neutrino.
Ti neutrini odgovaraju elektronu i njegovoj težoj braći: mionu i tau-leptonu. Različite neutrine, kao i različite kvarkove, fizičari doduše ne nazivaju vrstama nego okusima. Neutrinske oscilacije su, najkraće rečeno, periodična promena okusa neutrina. Dakle, neutrino biva proizveden u jednom okusu, ali kako putuje menja okuse. Vrlo neobična kvantna pojava koja je teorijski predviđena još 1957. godine. Najbolja ilustracija koja mi pada na pamet je periodična transformacija Pink Pantera na kraju crtića Pink Sfinga.
Neutrinske oscilacije dosad su potvrđene u više eksperimenata, u različitim kontekstima. Jedan od poznatih astrofizičkih problema koji je objašnjen neutrinskim oscilacijama jest problem solarnih neutrina. Taj je problem uočen sredinom 1960-ih i postojao je do početka 21. veka dok ga nisu objasnili rezultati spomenutih eksperimenata. Super-Kamiokande je prvu pouzdanu potvrdu dao 1998. godine. Konačnu potvrdu dao je Neutrinski opservatorij Sudbury, 2001. godine. Tad je naučna zajednica prihvatila činjenicu da neutrini osciliraju. Posledica toga nije bezazlena. Naime, teorija predviđa da se oscilacije događaju samo u slučaju da neutrini imaju masu. A standardni model čestica i sila, najbolja dosadašnja teorija gradivnih elemenata sveta, predviđa bezmasene neutrine. Što očito pokazuje da je standardni model nepotpun. U to smo već sumnjali, no sad imamo pouzdanu potvrdu. A nepotpuni standardni model ne baca fizičare u očaj. Naprotiv, čini ih sretnima jer širom otvara vrata novoj fizici.
autor:
Dr. sc. Dario Hrupec ( izvor)
Нема коментара:
Постави коментар