Zakaj fiziki lovijo najbolj čudne delce duhov


Vsako sekundo vsakega dne vas bombardirajo trilijoni na trilijonih subatomskih delcev, ki se potopijo iz globin vesolja. Pihajo skozi vas z močjo kozmičnega orkana, ki se razstreli skoraj pri hitrosti svetlobe. Prihajajo iz vsega neba, ves dan in noč. Skozi zemeljsko magnetno polje in našo zaščitno atmosfero prodrejo tako veliko masla.

In vendar lasje na vrhu glave niso niti napete.

Kaj se dogaja?

Ti drobni krogli se imenujejo neutrini, izraz, ki ga je leta 1934 skoval briljanten fizik Enrico Fermi. Beseda je nejasno italijanska za "malo nevtralno", in njihov obstoj je bil domneven, da bi razložil zelo radovedno jedrsko reakcijo. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Včasih se elementi počutijo malo… nestabilni. In če so prepuščeni sami sebi predolgo, se razpadejo in spremenijo v nekaj drugega, nekaj malo lažjega v periodnem sistemu. Poleg tega bi izskočil še majhen elektron. Toda v dvajsetih letih prejšnjega stoletja so skrbna in podrobna opazovanja teh razpadov pokazala majhne, ​​nenavadne razlike. Celotna energija na začetku procesa je bila malo večja kot energija, ki prihaja. Matematika se ni ujemala. Odd.

Torej je nekaj fizikov izdelalo popolnoma nov delček iz celotne krpe. Nekaj, kar bi odneslo manjkajočo energijo. Nekaj ​​majhnega, nekaj lahkega, nekaj brez obtožbe. Nekaj, kar bi lahko neopazno zdrsnilo skozi njihove detektorje.

Malo, nevtralno. Nevtrin.

Potrebovali so še nekaj desetletij, da bi potrdili njihov obstoj – to je, kako so spolzki, lukavi in ​​zahrbtni. Toda leta 1956 so se nevtroni pridružili rastoči družini znanih, izmerjenih, potrjenih delcev.

In potem so stvari postale čudne.

Težave so začele nastajati z odkritjem muona, ki se je po naključju zgodil približno ob istem času, ko se je ideja neutrina začela razvijati: trideseta leta. Mjuon je skoraj enak kot elektron. Ista dajatev. Isti spin. Vendar je drugačen v enem ključnem načinu: težji je, več kot 200-krat večji kot njegov brat, elektron.

Muoni sodelujejo v svojih lastnih vrstah reakcij, vendar ne trajajo dolgo. Zaradi svoje impresivne razsežnosti so zelo nestabilni in se hitro razpadajo v tuše manjših bitov ("hitro" tukaj pomeni v mikrosekundi ali dveh).

To je vse dobro in dobro, zakaj se muoni pojavljajo v nevtrinski zgodbi?

Fiziki so opazili, da so imele reakcije razpadanja, ki kažejo na obstoj neutrina, vedno elektron, in nikoli muona. Pri drugih reakcijah bi izskočili muoni in ne elektroni. Da bi pojasnili te ugotovitve, so utemeljili, da se nevtrini vedno ujemajo z elektroni v teh reakcijah razpadanja (in ne pri kakršni koli drugi vrsti neutrina), medtem ko se elektron, mion, mora pariti z še neodkrito vrsto neutrina. Elektronsko prijazni nevtrini ne bi mogli pojasniti opazovanj iz dogodkov iz muona. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

In tako se je lov nadaljeval. In naprej. In naprej. Šele leta 1962 so fiziki končno dobili ključavnico za drugo vrsto nevtrina. Prvotno so ga poimenovali "neutretto", vendar so bolj racionalne glave prevladovale s shemo imenovanja muon-neutrino, saj se je vedno povezovala z reakcijami z muonom.

V redu, dva potrjena neutrina. Ali je narava za nas imela več? Leta 1975 so raziskovalci na Stanford Linear Accelerator Centru pogumno presekali gore monotonih podatkov, da bi razkrili obstoj še težjega brata na hitrem elektronu in močnem muonu: nezgrešni tau, ki je meril z ogromno 3500-kratno maso elektrona . To je velik delček!

Tako se je takoj postavilo vprašanje: če obstaja družina treh delcev, elektron, muon in tau… ali bi lahko obstajal tretji neutrino, ki bi se združil s tem novo pridobljenim bitjem?

Mogoče, mogoče ne. Mogoče sta samo dva nevtrina. Mogoče jih je štiri. Mogoče 17. Narava še ni povsem izpolnila naših pričakovanj, zato ni razloga za začetek.

Fiziki, ki so v desetletjih preskočili veliko groznih podrobnosti, so se z različnimi poskusi in opazovanji prepričali, da bi moral obstajati tretji nevtrin. Toda šele ob robu tisočletja, leta 2000, je končno dobil posebej zasnovan eksperiment v Fermilabu (imenovan duhovito eksperiment DONUT, za neposredno opazovanje NU Tau in ne, ne dajem tega). dovolj potrjenih opazovanj, da bi upravičeno trdil, da je odkritje.

Torej, zakaj nam je toliko stalo do nevtrinov? Zakaj smo jih preganjali že več kot 70 let, od pred drugo svetovno vojno do moderne dobe? Zakaj so generacije znanstvenikov tako navdušene nad temi malimi, nevtralnimi?

Razlog je v tem, da nevtrine še naprej živijo zunaj naših pričakovanj. Dolgo časa nismo bili niti prepričani, da obstajajo. Dolgo časa smo bili prepričani, da so popolnoma brez mase, dokler eksperimenti ne bodo odkrito odkrili, da morajo imeti maso. Točno "koliko" ostaja sodoben problem. In neutrini imajo to neprijetno navado spreminjanja značaja med potovanjem. Tako je, ko nevtrin potuje med letom, lahko prekrije tri maske med tremi okusi.

Tudi tam bi lahko še vedno obstajal dodaten nevtrin, ki ne sodeluje v nobenih običajnih interakcijah – nekaj, kar je znano kot sterilni neutrino, ki ga fiziki nenehno iščejo.

Z drugimi besedami, nevtrine neprestano izzivajo vse, kar vemo o fiziki. In če obstaja ena stvar, ki jo potrebujemo, tako v preteklosti kot v prihodnosti, je to dober izziv.

Paul M. Sutter je astrofizik Državna univerza Ohio, gostiteljica Vprašajte Spacemana in Vesoljski radio, in avtor Tvoje mesto v vesolju.

Prvotno objavljeno dne Live Science.