Një neutrino është një grimcë elementare që është shumë e ngjashme me një elektron, por nuk ka ngarkesë elektrike. Ka një masë shumë të vogël, e cila mund të jetë edhe zero. Shpejtësia e neutrinës varet gjithashtu nga masa. Diferenca në kohën e mbërritjes së grimcave dhe dritës është 0,0006% (± 0,0012%). Në vitin 2011, gjatë eksperimentit OPERA, u zbulua se shpejtësia e neutrinos e kalon shpejtësinë e dritës, por përvoja e pavarur nuk e konfirmoi këtë.
Grimca e pakapshme
Kjo është një nga grimcat më të zakonshme në univers. Meqenëse ndërvepron shumë pak me materien, është tepër e vështirë të zbulohet. Elektronet dhe neutrinot nuk marrin pjesë në ndërveprime të forta bërthamore, por marrin pjesë në mënyrë të barabartë në ato të dobëta. Grimcat me këto veti quhen leptone. Përveç elektronit (dhe antigrimcës së tij, pozitronit), leptonët e ngarkuar përfshijnë muonin (200 masa elektronesh), taun (masat e elektroneve 3500) dhe antigrimcat e tyre. Ata quhen kështu: elektron-, muon- dhe tau-neutrinos. Secila prej tyre ka një komponent anti-material të quajtur antineutrino.
Muoni dhe tau, si një elektron, kanë grimca që i shoqërojnë ato. Këto janë neutrinot muon dhe tau. Të tre llojet e grimcave janë të ndryshme nga njëra-tjetra. Për shembull, kur neutrinot muonike ndërveprojnë me një objektiv, ato gjithmonë prodhojnë muone, kurrë tau ose elektrone. Në bashkëveprimin e grimcave, megjithëse elektronet dhe elektrone-neutrinot mund të krijohen dhe shkatërrohen, shuma e tyre mbetet e pandryshuar. Ky fakt çon në ndarjen e leptoneve në tre lloje, secili prej të cilëve ka një lepton të ngarkuar dhe një neutrino shoqëruese.
Detektorë shumë të mëdhenj dhe jashtëzakonisht të ndjeshëm nevojiten për të zbuluar këtë grimcë. Në mënyrë tipike, neutrinot me energji të ulët do të udhëtojnë shumë vite dritë përpara se të ndërveprojnë me materien. Rrjedhimisht, të gjitha eksperimentet e bazuara në tokë me to mbështeten në matjen e fraksionit të tyre të vogël që ndërvepron me regjistruesit me madhësi të arsyeshme. Për shembull, në Observatorin Sudbury Neutrino, që përmban 1000 ton ujë të rëndë, rreth 1012 neutrino diellore në sekondë kalojnë përmes detektorit. Dhe gjenden vetëm 30 në ditë.
Historia e zbulimit
Wolfgang Pauli për herë të parë postuloi ekzistencën e një grimce në vitin 1930. Një problem u ngrit në atë kohë sepse dukej se energjia dhe momenti këndor nuk ruheshin në zbërthimin beta. Por Pauli vuri në dukje se nëse emetohet një grimcë neutrino neutrale që nuk ndërvepron, atëherë do të respektohet ligji i ruajtjes së energjisë. Fizikani italian Enrico Fermi zhvilloi teorinë e kalbjes beta në 1934 dhe i dha grimcës emrin e saj.
Pavarësisht të gjitha parashikimeve, për 20 vjet neutrinot nuk mund të zbuloheshin eksperimentalisht për shkak të ndërveprimit të dobët të tyre me materien. Meqenëse grimcat nuk janë elektriketë ngarkuara, ato nuk ndikohen nga forcat elektromagnetike dhe, për rrjedhojë, nuk shkaktojnë jonizimin e materies. Përveç kësaj, ata reagojnë me materien vetëm përmes ndërveprimeve të dobëta me forcë të papërfillshme. Prandaj, ato janë grimcat nënatomike më depërtuese, të afta të kalojnë nëpër një numër të madh atomesh pa shkaktuar asnjë reagim. Vetëm 1 në 10 miliardë nga këto grimca, duke udhëtuar nëpër materie në një distancë të barabartë me diametrin e Tokës, reagojnë me një proton ose neutron.
Më në fund, në vitin 1956, një grup fizikantësh amerikanë të udhëhequr nga Frederick Reines njoftuan zbulimin e elektron-antineutrinos. Në eksperimentet e saj, antineutrinot e emetuara nga një reaktor bërthamor ndërvepruan me protonet për të formuar neutrone dhe pozitrone. Nënshkrimet unike (dhe të rralla) të energjisë të këtyre nënprodukteve të fundit ofrojnë dëshmi për ekzistencën e grimcave.
Zbulimi i leptoneve të muonit të ngarkuar u bë pikënisja për identifikimin e mëvonshëm të llojit të dytë të neutrinos - muonit. Identifikimi i tyre u krye në vitin 1962 bazuar në rezultatet e një eksperimenti në një përshpejtues grimcash. Neutrinot muonike me energji të lartë u prodhuan nga zbërthimi i pi-mezonëve dhe u dërguan në detektor në atë mënyrë që reagimet e tyre me materien të mund të studioheshin. Edhe pse ato janë jo-reaktive, si llojet e tjera të këtyre grimcave, është zbuluar se në raste të rralla kur ato reagojnë me protone ose neutrone, muon-neutrinot formojnë muone, por asnjëherë elektrone. Në vitin 1998, fizikantët amerikanë Leon Lederman, Melvin Schwartz dhe Jack Steinbergermori çmimin Nobel në fizikë për identifikimin e muon-neutrinës.
Në mesin e viteve 1970, fizika e neutrinove u plotësua me një lloj tjetër leptonësh të ngarkuar - tau. Neutrinoja tau dhe antineutrinoja tau rezultoi të ishin të lidhura me këtë lepton të tretë të ngarkuar. Në vitin 2000, fizikanët në Laboratorin Kombëtar të Përshpejtuesit. Enrico Fermi raportoi provat e para eksperimentale për ekzistencën e kësaj lloj grimce.
Meshë
Të gjitha llojet e neutrinos kanë një masë që është shumë më e vogël se ajo e homologëve të tyre të ngarkuar. Për shembull, eksperimentet tregojnë se masa elektron-neutrino duhet të jetë më e vogël se 0.002% e masës së elektroneve dhe se shuma e masave të tre specieve duhet të jetë më e vogël se 0.48 eV. Për shumë vite dukej se masa e një grimce ishte zero, megjithëse nuk kishte asnjë provë teorike bindëse pse duhej të ishte kështu. Më pas, në vitin 2002, Observatori i Neutrinove Sudbury ofroi provat e para të drejtpërdrejta që elektrone-neutrinot emetohen nga reaksionet bërthamore në llojin e bërthamës së Diellit ndryshojnë ndërsa udhëtojnë nëpër të. "Lëkundje" të tilla të neutrinos janë të mundshme nëse një ose më shumë lloje grimcash kanë një masë të vogël. Studimet e tyre për ndërveprimin e rrezeve kozmike në atmosferën e Tokës tregojnë gjithashtu praninë e masës, por nevojiten eksperimente të mëtejshme për ta përcaktuar atë më saktë.
Burimet
Burimet natyrore të neutrinos janë prishja radioaktive e elementeve në zorrët e Tokës, në të cilatlëshohet një rrymë e madhe elektronesh-antineutrinos me energji të ulët. Supernova janë gjithashtu një fenomen kryesisht neutrino, pasi vetëm këto grimca mund të depërtojnë në materialin super të dendur të prodhuar në një yll në kolaps; vetëm një pjesë e vogël e energjisë shndërrohet në dritë. Llogaritjet tregojnë se rreth 2% e energjisë së Diellit është energjia e neutrinoteve të prodhuara në reaksionet e shkrirjes termonukleare. Ka të ngjarë që pjesa më e madhe e materies së errët në univers përbëhet nga neutrinot e prodhuara gjatë Big Bengut.
Probleme të fizikës
Fushat që lidhen me neutrinot dhe astrofizikën janë të ndryshme dhe në zhvillim të shpejtë. Pyetjet aktuale që tërheqin një numër të madh përpjekjesh eksperimentale dhe teorike janë si më poshtë:
- Cilat janë masat e neutrinoteve të ndryshme?
- Si ndikojnë ato në kozmologjinë e Big Bang?
- A luhaten?
- A mund të transformohen neutrinot e një lloji në një tjetër ndërsa udhëtojnë nëpër materie dhe hapësirë?
- A janë neutrinot thelbësisht të ndryshme nga antigrimcat e tyre?
- Si yjet shemben dhe formojnë supernova?
- Cili është roli i neutrinos në kozmologji?
Një nga problemet e kahershme me interes të veçantë është i ashtuquajturi problem i neutrinos diellore. Ky emër i referohet faktit se gjatë disa eksperimenteve me bazë tokësore të kryera gjatë 30 viteve të fundit, më pak grimca janë vërejtur vazhdimisht sesa nevojiten për të prodhuar energjinë e emetuar nga dielli. Një nga zgjidhjet e tij të mundshme është lëkundja, d.m.th., transformimi i elektronikësneutrinot në muone ose tau gjatë udhëtimit në Tokë. Meqenëse është shumë më e vështirë për të matur muonet me energji të ulët ose neutrinot tau, ky lloj transformimi mund të shpjegojë pse ne nuk vëzhgojmë numrin e saktë të grimcave në Tokë.
Çmimi i katërt Nobel
Çmimi Nobel për Fizikë 2015 iu dha Takaaki Kajita dhe Arthur McDonald për zbulimin e tyre të masës neutrino. Ky ishte çmimi i katërt i tillë lidhur me matjet eksperimentale të këtyre grimcave. Disa mund të pyesin veten pse duhet të kujdesemi kaq shumë për diçka që mezi ndërvepron me materien e zakonshme.
Vetë fakti që ne mund t'i zbulojmë këto grimca kalimtare është një dëshmi e zgjuarsisë njerëzore. Meqenëse rregullat e mekanikës kuantike janë probabiliste, ne e dimë se edhe pse pothuajse të gjitha neutrinot kalojnë nëpër Tokë, disa prej tyre do të ndërveprojnë me të. Një detektor mjaft i madh për ta zbuluar këtë.
Pajisja e parë e tillë u ndërtua në vitet gjashtëdhjetë thellë në një minierë në Dakotën e Jugut. Miniera u mbush me 400 mijë litra lëng pastrimi. Mesatarisht, një grimcë neutrino çdo ditë ndërvepron me një atom klori, duke e kthyer atë në argon. Në mënyrë të pabesueshme, Raymond Davis, i cili ishte përgjegjës për detektorin, doli me një mënyrë për të zbuluar këto pak atome argon, dhe katër dekada më vonë, në 2002, atij iu dha çmimi Nobel për këtë arritje teknike të mahnitshme.
Astronomi e re
Për shkak se neutrinot ndërveprojnë kaq dobët, ato mund të udhëtojnë në distanca të mëdha. Ato na japin mundësinë të shikojmë vende që përndryshe nuk do t'i shihnim kurrë. Neutrinot e zbuluara nga Davis u prodhuan nga reaksionet bërthamore që ndodhën në qendër të Diellit dhe ishin në gjendje t'i shpëtonin këtij vendi tepër të dendur dhe të nxehtë vetëm sepse nuk ndërveprojnë me materie të tjera. Është madje e mundur të zbulohet një neutrino që fluturon nga qendra e një ylli në shpërthim mbi njëqind mijë vjet dritë nga Toka.
Përveç kësaj, këto grimca bëjnë të mundur vëzhgimin e universit në një shkallë shumë të vogël, shumë më të vogël se sa mund të shikojë Përplasësi i Madh i Hadronit në Gjenevë, i cili zbuloi bozonin Higgs. Është për këtë arsye që Komiteti Nobel vendosi të japë çmimin Nobel për zbulimin e një lloji tjetër të neutrinos.
E humbur misterioze
Kur Ray Davis vëzhgoi neutrinot diellore, ai gjeti vetëm një të tretën e numrit të pritur. Shumica e fizikanëve besonin se arsyeja për këtë ishte një njohuri e dobët e astrofizikës së Diellit: ndoshta modelet e brendshme të yllit mbivlerësuan numrin e neutrinos të prodhuar në të. Megjithatë, me kalimin e viteve, edhe pse modelet diellore u përmirësuan, mungesat vazhduan. Fizikanët tërhoqën vëmendjen te një mundësi tjetër: problemi mund të lidhet me kuptimin tonë të këtyre grimcave. Sipas teorisë së atëhershme mbizotëruese, ata nuk kishin masë. Por disa fizikanë kanë argumentuar se grimcat në të vërtetë kishin një infinite të vogëlmasë, dhe kjo masë ishte arsyeja e mungesës së tyre.
Grimca me tre faqe
Sipas teorisë së lëkundjeve të neutrinos, ekzistojnë tre lloje të ndryshme të neutrinos në natyrë. Nëse një grimcë ka masë, atëherë ndërsa lëviz, ajo mund të ndryshojë nga një lloj në tjetrin. Tre lloje - elektroni, muoni dhe tau - kur ndërveprojnë me materien mund të shndërrohen në grimcën përkatëse të ngarkuar (elektroni, muon ose tau lepton). "Lëkundje" ndodh për shkak të mekanikës kuantike. Lloji i neutrinës nuk është konstant. Ndryshon me kalimin e kohës. Një neutrino, e cila filloi ekzistencën e saj si një elektron, mund të kthehet në një muon dhe më pas të kthehet. Kështu, një grimcë e formuar në bërthamën e Diellit, në rrugën e saj për në Tokë, mund të kthehet periodikisht në një muon-neutrino dhe anasjelltas. Meqenëse detektori Davis mund të zbulonte vetëm neutrinot e elektroneve të afta të çonin në shndërrimin bërthamor të klorit në argon, dukej e mundur që neutrinot që mungonin të ishin shndërruar në lloje të tjera. (Siç rezulton, neutrinot lëkunden brenda Diellit, jo në rrugën e tyre për në Tokë.)
Eksperiment kanadez
E vetmja mënyrë për ta testuar këtë ishte ndërtimi i një detektori që funksiononte për të tre llojet e neutrinos. Që nga vitet 1990, Arthur McDonald i Queen's Ontario University ka udhëhequr ekipin që e bëri këtë në një minierë në Sudbury, Ontario. Objekti përmbante tonelata ujë të rëndë të huazuar nga qeveria kanadeze. Uji i rëndë është një formë e rrallë, por e natyrshme e ujit në të cilën hidrogjeni, që përmban një proton,zëvendësohet nga izotopi i tij më i rëndë deuterium, i cili përmban një proton dhe një neutron. Qeveria kanadeze grumbulloi ujë të rëndë sepse përdoret si ftohës në reaktorët bërthamorë. Të tre llojet e neutrinos mund të shkatërrojnë deuteriumin për të formuar një proton dhe një neutron, dhe neutronet u numëruan më pas. Detektori regjistroi rreth trefishin e numrit të grimcave në krahasim me Davis - saktësisht numrin që ishte parashikuar nga modelet më të mira të Diellit. Kjo sugjeroi që elektron-neutrinoja mund të lëkundet në llojet e tjera të tij.
eksperiment japonez
Përafërsisht në të njëjtën kohë, Takaaki Kajita nga Universiteti i Tokios po bënte një tjetër eksperiment të mrekullueshëm. Një detektor i instaluar në një minierë në Japoni regjistroi neutrinot që vinin jo nga zorrët e Diellit, por nga atmosfera e sipërme. Kur protonet e rrezeve kozmike përplasen me atmosferën, formohen shira të grimcave të tjera, duke përfshirë neutrinot muon. Në minierë, ata i kthyen bërthamat e hidrogjenit në muone. Detektori Kajita mund të shihte grimcat që vinin në dy drejtime. Disa ranë nga lart, duke ardhur nga atmosfera, ndërsa të tjerët lëviznin nga poshtë. Numri i grimcave ishte i ndryshëm, gjë që tregonte natyrën e tyre të ndryshme - ato ishin në pika të ndryshme të cikleve të tyre të lëkundjes.
Revolucioni në shkencë
Është gjithçka ekzotike dhe e mahnitshme, por pse lëkundjet dhe masat e neutrinos tërheqin kaq shumë vëmendje? Arsyeja është e thjeshtë. Në modelin standard të fizikës së grimcave të zhvilluara gjatë pesëdhjetë viteve të fundit të shekullit të njëzetë,i cili përshkruan saktë të gjitha vëzhgimet e tjera në përshpejtuesit dhe eksperimentet e tjera, neutrinot duhet të ishin pa masë. Zbulimi i masës së neutrinos sugjeron se diçka mungon. Modeli Standard nuk është i plotë. Elementet që mungojnë ende nuk janë zbuluar, qoftë përmes Përplasësit të Madh të Hadronit ose një makinerie tjetër që ende nuk është krijuar.
