Neutriino on alkuainehiukkanen, joka on hyvin samanlainen kuin elektroni, mutta jolla ei ole sähkövarausta. Sillä on hyvin pieni massa, joka voi olla jopa nolla. Neutrinon nopeus riippuu myös massasta. Ero hiukkasen ja valon saapumisajassa on 0,0006 % (± 0,0012 %). Vuonna 2011 OPERA-kokeessa havaittiin, että neutriinojen nopeus ylittää valon nopeuden, mutta riippumaton kokemus ei vahvistanut tätä.
Tavattava hiukkanen
Tämä on yksi yleisimmistä hiukkasista universumissa. Koska se on hyvin vähän vuorovaikutuksessa aineen kanssa, sitä on uskomattoman vaikea havaita. Elektronit ja neutriinot eivät osallistu vahvoihin ydinvuorovaikutuksiin, mutta yhtä lailla heikompiin. Hiukkasia, joilla on nämä ominaisuudet, kutsutaan leptoneiksi. Varautuneisiin leptoneihin kuuluvat elektronin (ja sen antihiukkasen, positroni) lisäksi myon (200 elektronimassaa), tau (3500 elektronimassaa) ja niiden antihiukkaset. Niitä kutsutaan niin: elektroni-, muoni- ja tau-neutriinot. Niissä jokaisessa on materiaalin vastainen komponentti, nimeltään antineutrino.
Muonissa ja tau:ssa, kuten elektronissa, on mukanaan hiukkasia. Nämä ovat myon- ja tau-neutriinoja. Nämä kolme hiukkastyyppiä eroavat toisistaan. Esimerkiksi kun myonineutriinot ovat vuorovaikutuksessa kohteen kanssa, ne tuottavat aina myoneja, eivät koskaan tau- tai elektroneja. Vaikka hiukkasten vuorovaikutuksessa elektroneja ja elektronineutriinoja voidaan luoda ja tuhota, niiden summa pysyy muuttumattomana. Tämä tosiasia johtaa leptonien jakaantumiseen kolmeen tyyppiin, joista jokaisessa on varautunut leptoni ja sitä seuraava neutrino.
Tämän hiukkasen havaitsemiseen tarvitaan erittäin suuria ja erittäin herkkiä ilmaisimia. Tyypillisesti matalaenergiset neutriinot kulkevat useita valovuosia ennen kuin ne ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa. Näin ollen kaikki maassa tehtävät kokeet niillä perustuvat niiden pienen osuuden mittaamiseen, joka on vuorovaikutuksessa kohtuullisen kokoisten tallentimien kanssa. Esimerkiksi Sudbury Neutrino Observatoriossa, joka sisältää 1000 tonnia raskasta vettä, noin 1012 aurinkoneutrinoa sekunnissa kulkee ilmaisimen läpi. Ja niitä löytyy vain 30 päivässä.
Löytöhistoria
Wolfgang Pauli olettanut hiukkasen olemassaolon ensimmäisen kerran vuonna 1930. Ongelma syntyi tuolloin, koska näytti siltä, että energia ja kulmaliikemäärä eivät säilyneet beetahajoamisessa. Mutta Pauli huomautti, että jos ei-vuorovaikutteinen neutraali neutriinohiukkanen vapautuu, energian säilymisen lakia noudatetaan. Italialainen fyysikko Enrico Fermi kehitti beetahajoamisen teorian vuonna 1934 ja antoi hiukkaselle sen nimen.
Kaikista ennusteista huolimatta neutriinoja ei voitu havaita kokeellisesti 20 vuoteen, koska ne ovat heikon vuorovaikutuksen aineen kanssa. Koska hiukkaset eivät ole sähköisiälatautuneita, sähkömagneettiset voimat eivät vaikuta niihin, ja siksi ne eivät aiheuta aineen ionisaatiota. Lisäksi ne reagoivat aineen kanssa vain heikkojen ja merkityksettömän vahvuuksien kautta. Siksi ne ovat tunkeutuvimpia subatomisia hiukkasia, jotka pystyvät kulkemaan v altavan määrän atomeja aiheuttamatta mitään reaktiota. Vain yksi 10 miljardista näistä hiukkasista, jotka kulkevat aineen läpi maapallon halkaisijaa vastaavan matkan, reagoi protonin tai neutronin kanssa.
Lopuksi vuonna 1956 Frederick Reinesin johtama amerikkalaisten fyysikkojen ryhmä ilmoitti löytäneensä elektroni-antineutriinon. Hänen kokeissaan ydinreaktorista vapautuneet antineutriinot olivat vuorovaikutuksessa protonien kanssa muodostaen neutroneja ja positroneja. Näiden uusimpien sivutuotteiden ainutlaatuiset (ja harvinaiset) energiamerkit tarjoavat todisteita hiukkasen olemassaolosta.
Varautuneiden myonileptonien löydöstä tuli lähtökohta toisen tyypin neutrino-muonin myöhemmälle tunnistamiselle. Niiden tunnistaminen suoritettiin vuonna 1962 hiukkaskiihdyttimessä tehdyn kokeen tulosten perusteella. Korkeaenergiset myoniset neutriinot syntyivät pi-mesonien hajoamisen seurauksena ja lähetettiin ilmaisimeen siten, että niiden reaktioita aineen kanssa voitiin tutkia. Vaikka ne ovat ei-reaktiivisia, kuten muutkin näiden hiukkasten tyypit, on havaittu, että niissä harvoissa tapauksissa, joissa ne reagoivat protonien tai neutronien kanssa, myon-neutriinot muodostavat myoneja, mutta eivät koskaan elektroneja. Vuonna 1998 amerikkalaiset fyysikot Leon Lederman, Melvin Schwartz ja Jack Steinbergersai Nobelin fysiikan palkinnon myon-neutriinon tunnistamisesta.
1970-luvun puolivälissä neutriinofysiikka täydennettiin toisen tyyppisillä varautuneilla leptoneilla - taulla. Tau-neutrino ja tau-antineutrino osoittautuivat liittyvän tähän kolmanteen varautuneeseen leptoniin. Vuonna 2000 fyysikot National Accelerator Laboratoryssa. Enrico Fermi raportoi ensimmäiset kokeelliset todisteet tämän tyyppisten hiukkasten olemassaolosta.
Messu
Kaiken tyyppisten neutriinojen massa on paljon pienempi kuin niiden varautuneiden vastineiden massa. Esimerkiksi kokeet osoittavat, että elektroni-neutriinomassan on oltava alle 0,002 % elektronin massasta ja että kolmen lajin massojen summan on oltava alle 0,48 eV. Monien vuosien ajan näytti siltä, että hiukkasen massa oli nolla, vaikka ei ollut vakuuttavia teoreettisia todisteita, miksi näin pitäisi olla. Sitten vuonna 2002 Sudbury Neutrino Observatory tarjosi ensimmäisen suoran todisteen siitä, että Auringon ytimen ydinreaktioiden emittoimat elektronineutriinit muuttuvat tyypiltään, kun ne kulkevat sen läpi. Tällaiset neutriinojen "värähtelyt" ovat mahdollisia, jos yhdellä tai useammalla hiukkastyypillä on pieni massa. Heidän tutkimuksensa kosmisten säteiden vuorovaikutuksesta Maan ilmakehässä osoittavat myös massan olemassaolon, mutta sen tarkemmin määrittäminen vaatii lisäkokeita.
Lähteet
Neutriinojen luonnolliset lähteet ovat alkuaineiden radioaktiivinen hajoaminen maan suolistossa, jossaemittoituu suuri virta matalaenergisiä elektroneja-antineutriinoja. Supernovat ovat myös pääosin neutriinoilmiö, koska vain nämä hiukkaset voivat tunkeutua romahtavan tähden muodostuneen supertiheän materiaalin läpi; vain pieni osa energiasta muuttuu valoksi. Laskelmat osoittavat, että noin 2 % Auringon energiasta on lämpöydinfuusioreaktioissa syntyneiden neutriinojen energiaa. On todennäköistä, että suurin osa maailmankaikkeuden pimeästä aineesta koostuu alkuräjähdyksen aikana syntyneistä neutriinoista.
Fysiikan ongelmat
Neutriinoihin ja astrofysiikkaan liittyvät alat ovat monipuolisia ja nopeasti kehittyviä. Nykyiset kysymykset, jotka herättävät suurta määrää kokeellisia ja teoreettisia ponnisteluja, ovat seuraavat:
- Mitkä ovat eri neutriinojen massat?
- Miten ne vaikuttavat alkuräjähdyksen kosmologiaan?
- värähtelevätkö ne?
- Voivatko yhden tyyppiset neutriinot muuttua toisiksi kulkiessaan aineen ja avaruuden halki?
- Ovatko neutriinot pohjimmiltaan erilaisia kuin niiden antihiukkaset?
- Miten tähdet romahtavat ja muodostavat supernoveja?
- Mikä on neutriinojen rooli kosmologiassa?
Yksi pitkäaikaisista erityisen kiinnostavista ongelmista on niin kutsuttu aurinkoneutrino-ongelma. Tämä nimi viittaa siihen tosiasiaan, että useiden viimeisten 30 vuoden aikana suoritettujen maanpäällisten kokeiden aikana havaittiin jatkuvasti vähemmän hiukkasia kuin tarvitaan auringon lähettämän energian tuottamiseen. Yksi sen mahdollisista ratkaisuista on oskillaatio eli elektronin muunnosneutriinot myoneiksi tai tauiksi matkustaessaan Maahan. Koska matalaenergisten myonien tai tau-neutriinojen mittaaminen on paljon vaikeampaa, tällainen muunnos voi selittää, miksi emme havaitse oikeaa määrää hiukkasia maapallolla.
Neljäs Nobel-palkinto
Vuoden 2015 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin Takaaki Kajitalle ja Arthur McDonaldille neutriinomassan löytämisestä. Tämä oli neljäs tällainen palkinto, joka liittyy näiden hiukkasten kokeellisiin mittauksiin. Jotkut saattavat ihmetellä, miksi meidän pitäisi välittää niin paljon jostakin, joka tuskin on vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa.
Se tosiasia, että voimme havaita nämä lyhytaikaiset hiukkaset, on osoitus ihmisen kekseliäisyydestä. Koska kvanttimekaniikan säännöt ovat todennäköisyyspohjaisia, tiedämme, että vaikka melkein kaikki neutriinot kulkevat maan läpi, jotkut niistä ovat vuorovaikutuksessa sen kanssa. Tarpeeksi suuri ilmaisin havaitsemaan tämän.
Ensimmäinen tällainen laite rakennettiin 60-luvulla syvällä kaivoksessa Etelä-Dakotassa. Kaivos täytettiin 400 tuhannella litralla puhdistusnestettä. Keskimäärin yksi neutrinohiukkanen joka päivä vuorovaikuttaa klooriatomin kanssa muuttaen sen argoniksi. Uskomatonta kyllä, että ilmaisimesta vastuussa ollut Raymond Davis keksi tavan havaita nämä muutamat argonatomit, ja neljä vuosikymmentä myöhemmin, vuonna 2002, hänelle myönnettiin Nobel-palkinto tästä hämmästyttävästä teknisestä saavutuksesta.
Uusi tähtitiede
Koska neutriinot vuorovaikuttavat niin heikosti, ne voivat kulkea pitkiä matkoja. Ne antavat meille mahdollisuuden katsoa paikkoihin, joita emme muuten koskaan näkisi. Davisin löytämät neutriinot syntyivät ydinreaktioissa, jotka tapahtuivat aivan Auringon keskustassa, ja ne pääsivät pakoon tästä uskomattoman tiheästä ja kuumasta paikasta vain, koska ne eivät juurikaan ole vuorovaikutuksessa muiden aineiden kanssa. On jopa mahdollista havaita neutrino, joka lentää räjähtävän tähden keskustasta yli sadan tuhannen valovuoden päässä Maasta.
Lisäksi nämä hiukkaset mahdollistavat maailmankaikkeuden tarkkailun hyvin pienessä mittakaavassa, paljon pienemmässä mittakaavassa kuin mitä Higgsin bosonin löytänyt Genevessä sijaitseva suuri hadronitörmätäjä pystyy tutkimaan. Tästä syystä Nobel-komitea päätti myöntää Nobel-palkinnon toisen tyyppisen neutriinotyypin löytämisestä.
Salaperäinen kadonnut
Kun Ray Davis havaitsi auringon neutriinoja, hän löysi vain kolmanneksen odotetusta määrästä. Useimmat fyysikot uskoivat, että syynä tähän oli heikko tietämys Auringon astrofysiikasta: ehkäpä tähden sisätilojen mallit yliarvioivat siinä syntyneiden neutriinojen määrän. Kuitenkin vuosien mittaan, vaikka aurinkomallit paranivat, pulasta jatkui. Fyysikot kiinnittivät huomion toiseen mahdollisuuteen: ongelma saattaa liittyä ymmärryksemme näistä hiukkasista. Tuolloin vallinneen teorian mukaan niillä ei ollut massaa. Mutta jotkut fyysikot ovat väittäneet, että hiukkasilla oli todellakin äärettömän pieni määrämassa, ja tämä massa oli syy niiden puutteeseen.
Kolmipuolinen hiukkanen
Neutriinovärähtelyteorian mukaan luonnossa on kolme eri tyyppiä neutriinoja. Jos hiukkasella on massa, se voi liikkuessaan muuttua tyypistä toiseen. Kolme tyyppiä - elektroni, myoni ja tau - voidaan aineen kanssa vuorovaikutuksessa muuntaa vastaavaksi varautuneeksi hiukkaseksi (elektroni, myon tai tau lepton). "Värähtely" johtuu kvanttimekaniikasta. Neutriinon tyyppi ei ole vakio. Se muuttuu ajan myötä. Neutriino, joka aloitti olemassaolonsa elektronina, voi muuttua myoniksi ja sitten takaisin. Siten Auringon ytimeen muodostunut hiukkanen matkalla Maahan voi ajoittain muuttua myon-neutriinoksi ja päinvastoin. Koska Davis-detektori pystyi havaitsemaan vain elektronineutriinoja, jotka pystyivät johtamaan kloorin ydintransmutaatioon argoniksi, näytti mahdolliselta, että puuttuvat neutriinot olivat muuttuneet muuntyyppisiksi. (Kuten käy ilmi, neutriinot värähtelevät Auringon sisällä, eivät matkalla Maahan.)
Kanadalainen kokeilu
Ainoa tapa testata tämä oli rakentaa ilmaisin, joka toimi kaikille kolmelle neutriinotyypille. 1990-luvulta lähtien Arthur McDonald Queen's Ontario -yliopistosta on johtanut tiimiä, joka teki tämän kaivoksessa Sudburyssa Ontariossa. Laitos sisälsi tonnia Kanadan hallitukselta lainattua raskasta vettä. Raskas vesi on harvinainen, mutta luonnossa esiintyvä vesimuoto, jossa vety, joka sisältää yhden protonin,korvataan raskaammalla deuterium-isotoopilla, joka sisältää protonin ja neutronin. Kanadan hallitus varastoi raskasta vettä, koska sitä käytetään jäähdytysaineena ydinreaktoreissa. Kaikki kolme neutriinotyyppiä saattoivat tuhota deuteriumin muodostaen protonin ja neutronin, minkä jälkeen neutronit laskettiin. Ilmaisin rekisteröi noin kolme kertaa enemmän hiukkasia Davisiin verrattuna – juuri sen määrän, jonka parhaat aurinkomallit ennustivat. Tämä viittasi siihen, että elektronineutrino voisi värähdellä muihin tyyppeihinsä.
Japanilainen kokeilu
Noin samaan aikaan Tokion yliopiston Takaaki Kajita teki toista merkittävää koetta. Japanissa kaivoksessa asennettu ilmaisin rekisteröi neutriinoja, jotka eivät tulleet Auringon suolistosta, vaan ilmakehän yläkerroksista. Kun kosmisen säteen protonit törmäävät ilmakehään, muodostuu muiden hiukkasten suihkuja, mukaan lukien myonineutriinot. Kaivoksessa he muuttivat vetyytimet myoneiksi. Kajita-ilmaisin näki hiukkasten tulevan kahteen suuntaan. Jotkut putosivat ylhäältä ilmakehästä, kun taas toiset liikkuivat alha alta. Hiukkasten lukumäärä oli erilainen, mikä osoitti niiden erilaisen luonteen - ne olivat värähtelyjaksojensa eri kohdissa.
Tieteen vallankumous
Se on kaikki eksoottista ja hämmästyttävää, mutta miksi värähtelyt ja neutriinomassat herättävät niin paljon huomiota? Syy on yksinkertainen. 1900-luvun viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana kehitetyssä hiukkasfysiikan vakiomallissajoka kuvasi oikein kaikki muut havainnot kiihdytinissä ja muissa kokeissa, neutriinojen olisi pitänyt olla massattomia. Neutriinomassan löytö viittaa siihen, että jotain puuttuu. Vakiomalli ei ole täydellinen. Puuttuvia elementtejä ei ole vielä löydetty joko Large Hadron Colliderin tai muun vielä luotavan koneen avulla.
