Prebivali smo se v nevtrinih. So med najlažjimi izmed dveh ducatov ali tako znanih subatomskih delcev in prihajajo iz vseh smeri: od velikega poka, ki je začel vesolje, od eksplodiranja zvezd in predvsem od sonca. Prihajajo naravnost skozi zemljo s skoraj hitrostjo svetlobe, ves čas, podnevi in ponoči, v ogromnem številu. Približno 100 bilijonov nevtrinov skozi vsako telo skozi naše telo.
Sorodne vsebine
- Odpiranje čudnih portalov iz fizike
Težava fizikov je, da je nevtrinov nemogoče videti in jih je težko zaznati. Vsak instrument, zasnovan za to, se lahko zdi trden na dotik, toda za nevtrine, tudi iz nerjavečega jekla je večinoma prazen prostor, tako širok kot sončni sistem do kometa. Še več, nevtrini za razliko od večine subatomskih delcev nimajo električnega naboja - nevtralni so, od tod tudi ime - zato znanstveniki ne morejo uporabiti električnih ali magnetnih sil, da bi jih zajeli. Fiziki jih imenujejo "dušni delci."
Da bi ujeli te nedostopne entitete, so fiziki izvedli nekaj izjemno ambicioznih eksperimentov. Da nevtrinov ne zamenjamo s kozmičnimi žarki (subatomski delci iz vesolja, ki ne prodrejo v zemljo), so detektorji nameščeni globoko pod zemljo. Ogromne so bile postavljene v rudnikih zlata in niklja, v tunelih pod gorami, v oceanu in na antarktičnem ledu. Te nenavadno lepe naprave so spomeniki, ki jih je človeštvo rešilo, da se uči o vesolju.
Ni jasno, kakšne praktične aplikacije bodo prinesle preučevanje nevtrinov. "Ne vemo, kam bo to vodilo, " pravi Boris Kayser, teoretični fizik v Fermilabu v Batavii v Illinoisu.
Fiziki delno preučujejo nevtrine, ker so nevtrini tako nenavadni znaki: zdi se, da kršijo pravila, ki opisujejo naravo v njenem najbolj temeljnem. In če bodo fiziki kdaj uresničili svoje upanje o razvoju skladne teorije resničnosti, ki brez izjeme razloži osnove narave, bodo morali upoštevati vedenje nevtrinov.
Poleg tega znanstvenike spletkarji vsiljijo, ker so delci glasniki iz zunanjih dosegov vesolja, ki so jih ustvarili nasilno eksplodiranje galaksij in drugi skrivnostni pojavi. "Nevtrini nam lahko razkrijejo stvari, ki jih delci več vlage ne morejo, " pravi Kayser.
Fiziki so nevtrinove predstavljali že veliko preden jih sploh najdejo. Leta 1930 so ustvarili koncept za uravnoteženje enačbe, ki se ni seštevala. Ko se jedro radioaktivnega atoma razgradi, mora biti energija delcev, ki jih odda, enaka energiji, ki jo je prvotno vsebovala. Toda v resnici so opazili znanstveniki, jedro je izgubljalo več energije, kot so ga pobrali detektorji. Fizik Wolfgang Pauli si je za to dodatno energijo zamislil dodatni, nevidni delček, ki ga oddaja jedro. "Danes sem naredil nekaj zelo slabega, ker sem predlagal delce, ki jih ni mogoče zaznati, " je Pauli zapisal v svojem dnevniku. "To je nekaj, česar noben teoretik nikoli ne bi smel storiti."
Eksperimentalisti so ga tako ali tako začeli iskati. Sredi petdesetih let so v laboratoriju za jedrsko orožje v Južni Karolini postavili dva velika rezervoarja za vodo pred jedrskim reaktorjem, ki naj bi po njunih enačbah naredili deset bilijonov nevtrinov na sekundo. Detektor je bil po današnjih standardih majhen, vendar je vseeno uspel opaziti nevtrine - tri ure. Znanstveniki so ugotovili, da je predlagani nevtrino v resnici dejanski; preučevanje nedostopnih delcev se je pospešilo.
Desetletje pozneje se je polje povečalo, ko je druga skupina fizikov postavila detektor v rudniku zlata Homestake v mestu Lead v Južni Dakoti, ki je bilo pod zemljo 4850 metrov. V tem poskusu so se znanstveniki postavili za opazovanje nevtrinov s spremljanjem, kaj se zgodi ob redki priložnosti, ko nevtrino trči v atom klora in ustvari radioaktivni argon, ki ga je mogoče zlahka zaznati. V središču poskusa je bil rezervoar, napolnjen s 600 ton tekočine, bogate s klorom, perkloretilena, tekočine, ki se uporablja pri kemičnem čiščenju. Na vsakih nekaj mesecev bi znanstveniki izplakovali rezervoar in izvlekli približno 15 atomov argona, kar je dokaz o 15 nevtrinov. Spremljanje se je nadaljevalo več kot 30 let.
V upanju, da bodo v večjem številu odkrili nevtrine, so na Japonskem znanstveniki vodili poskus, visok 3.300 metrov pod zemljo v rudniku cinka. Super-Kamiokande ali Super-K, kot je znano, je začel delovati leta 1996. Detektor je sestavljen iz 50.000 ton vode v kupolastem rezervoarju, katerega stene so pokrite s 13.000 senzorji svetlobe. Senzorji zaznajo občasno modro bliskavico (preveč blede, da bi jo lahko videle naše oči), ki nastane, ko nevtrino trči z atomom v vodi in ustvari elektron. In s sledenjem natančne poti, ki jo je elektron prehodil v vodi, so fiziki lahko sklepali o izvoru trkajočega nevtrina v vesolju. Večina, so ugotovili, je prišla s sonca. Meritve so bile dovolj občutljive, da je Super-K lahko sledil sončni poti čez nebo in s skoraj miljo pod zemljo opazoval, kako se dan spreminja v noč. "To je res vznemirljiva stvar, " pravi Janet Conrad, fizičarka s Tehnološkega inštituta v Massachusettsu. Skladbe z delci je mogoče sestaviti tako, da nastanejo "čudovita slika, slika sonca v nevtrinih."
Toda eksperimenti Homestake in Super-K niso odkrili toliko nevtrinov, kot so fiziki pričakovali. Raziskave na nevtrinskem observatoriju v Sudburyju (SNO, izgovorjeno "sneg") so določile, zakaj. Nameščen v rudniku niklja v Ontariu v globini 6.800 metrov, SNO vsebuje 1100 ton "težke vode", ki ima nenavadno obliko vodika, ki z nevtrinosi reagira relativno enostavno. Tekočina je v rezervoarju, ki visi znotraj ogromne akrilne kroglice, ki je sama v notranjosti geodetske nadgradnje, ki absorbira vibracije in na katero so obešeni 9 456 senzorji svetlobe - celotna zadeva je videti kot okraski božičnega drevesa, visok 30 metrov.
Znanstveniki, ki delajo na SNO, so leta 2001 odkrili, da lahko nevtrino spontano prehaja med tri različne identitete - ali kot pravijo fiziki, niha med tremi okusi. Odkritje je imelo presenetljive posledice. Kot prvo je pokazalo, da so prejšnji poskusi zaznali veliko manj nevtrinov, kot je bilo napovedano, ker so bili instrumenti uglašeni samo na eno nevtrino aromo - takšno, ki ustvarja elektron - in manjkali so tisti, ki so preklopili. Za drugo ugotovitev je presegla prepričanje fizikov, da nevtrino, kot foton, nima nobene mase. (Osciliranje med okusi je nekaj, kar zmorejo le delci z maso.)
Koliko mase imajo nevtrini? Da bi to ugotovili, fiziki gradijo KATRIN - Nevtrinski eksperiment Karlsruhe Tritium Tritium. Podjetje KATRIN se ponaša z 200-tonsko napravo, imenovano spektrometer, ki bo izmerila maso atomov pred in po tem, ko radioaktivno razpadejo, kar razkriva, koliko mase nevtrino odnese. Tehniki so spektrometer zgradili približno 250 milj od Karlsruheja v Nemčiji, kjer bo poskus izvedel; naprava je bila prevelika za ozke ceste regije, zato so jo postavili na čoln po reki Donavi in plavali mimo Dunaja, Budimpešte in Beograda, v Črno morje, Egejsko in Sredozemsko morje, okoli Španije, preko angleškega kanala, v Rotterdam in na Ren, nato na jug do rečnega pristanišča Leopoldshafen, Nemčija. Tam so ga natovorili na tovornjak in se dva meseca in 5.600 km pozneje skozi mesto pripeljali do cilja. Zbiranje podatkov naj bi začeli leta 2012.
Fiziki in astronomi, ki jih zanimajo informacije, da lahko nevtrini iz vesolja nosijo supernove ali trkajoče galaksije, so postavili nevtrinske "teleskope." Eden, imenovan IceCube, je znotraj ledenega polja na Antarktiki. Po dokončanju leta 2011 bo sestavljen iz več kot 5000 senzorjev modre svetlobe (glej zgornji diagram). Senzorji niso usmerjeni proti nebu, kot lahko pričakujete, ampak proti tlom, da zaznajo nevtrine iz sonca in vesolja, ki prihajajo skozi planet s severa. Zemlja blokira kozmične žarke, vendar večina nevtrinov potuje po planetu, dolgem 8000 milj, kot da ga ni.
Eksperiment z nevtrino na dolge razdalje poteka v več srednjezahodnih stanjih. Visokoenergetski pospeševalnik, ki ustvarja subatomske delce, streli žarke nevtrinov in z njimi povezanih delcev kar šest kilometrov globoko, pod severnim Illinoisom, čez Wisconsin in v Minnesoto. Delci se začnejo pri Fermilabu v okviru eksperimenta, imenovanega glavno brizganje nevtrinskega nihanja (MINOS). V manj kot tri tisočinah sekunde so udarili v detektor v rudniku železa Soudan, ki je oddaljen 450 milj. Podatki, ki so jih zbrali znanstveniki, zapletejo njihovo sliko tega neskončno minimalnega sveta: zdaj se zdi, da eksotične oblike nevtrinov, tako imenovani anti-nevtrini, morda ne sledijo enakim pravilom nihanja kot drugi nevtrini.
"Kar je kul, " pravi Conrad, "je, da ni tisto, kar smo pričakovali."
Ko gre za nevtrine, jih je zelo malo.
Najnovejša knjiga Ann Finkbeiner, Grand and Bold Thing, govori o Sloan Digital Sky Survey, prizadevanju za preslikavo vesolja.
Večina nevtrinov, ki nas bombardirajo, prihaja iz sonca, prikazanega tukaj na ultravijolični sliki. (NASA) 
Kavernozni detektor Super-Kamiokande na Japonskem je obložen s 13.000 senzorji za natančno določanje znakov nevtrinov. Delavci v čolnu spremljajo napravo, ko se napolni z vodo. (Observatorij Kamioka, ICRR (Inštitut za raziskovanje kozmičnih žarkov), Tokijska univerza) 
V nizu reakcij na sončevem jedru vodikovi atomi s pomočjo fuzije ustvarjajo helij. Postopek sprošča energijo in subatomske delce, vključno z nevtrini. Ko foton ali delček svetlobe zapusti sončno gosto jedro, se ujame v vročini in besu in nas morda ne doseže milijone let. Toda sončni nevtrino ni določen in v osmih minutah doseže zemljo. (Samuel Velasco / 5W Infographics) 
Kanadski nevtrinoski observatorij Sudbury je potrdil, da lahko nevtrino spremeni identiteto. (SNO) 
Fiziki iz Brookhaven National Laboratoryja v New Yorku, ki so tu prikazani v laboratoriju STAR detektor, upajo, da bodo ustrelili nevtino snop pod zemljo do rudnika Homestake v Južni Dakoti. (BNL) 
Detektor nevtinov MINOS v Minnesoti je tarča žarkov nevtrinov, ki so jih ustrelili iz Illinoisa. (Fermilab vizualne medijske storitve) 
KATRIN spektrometer, ki bo meril nevtrino maso, stisnjen skozi Leopoldshafen v Nemčiji na poti v laboratorij. (Tehnološki inštitut Karlsruhe) 
Nevtino detektor IceCube na Antarktiki je vgrajen v led. S 5000 senzorji, pripetimi v več kot 70 linij, bo IceCube iskal nevtrine, ki so prešli 8000 milj skozi planet. (Univerza Wisconsin-Madison) 
Niz senzorjev se spušča v 8000 metrov globoko luknjo. (Jim Haugen / Nacionalna znanstvena fundacija)
