Gdy we wrześniu 2011 roku ogłoszono, że neutrina są w stanie przekroczyć prędkość światła, wielu wieszczyło upadek teorii Einsteina. Pojawiło się jednak wiele sceptycznych głosów, dzięki którym udało się dowieść błędnych wyników eksperymentu OPERA już niespełna pół roku później. Okazało się, że wystąpił błąd pomiaru, a winą obarczono luźno osadzony kabel światłowodowy. Brzmi niewiarygodnie? Obliczenia wykazały, że neutrino poruszało się z prędkością równej 1,00002 prędkości światła, a więc niemal niewykrywalnie szybciej.
Dlaczego właściwie o tym wspominam? Wydarzenie to zapoczątkowało kolejne próby zrozumienia tej dziwnej cząstki elementarnej. Zanim jednak przejdę do konkretów, musicie wiedzieć, czym jest neutrino. Jego istnienie zostało przewidziane już w 1930 roku przez Wolfganga Pauliego, jednego z ojców mechaniki kwantowej, zaś doświadczalnie potwierdzono to w roku 1956. Sam fakt istnienia nie wystarcza, należy bowiem zrozumieć, w jaki sposób owo istnienie przekłada się na oddziaływania z resztą cząstek. A to wcale nie jest takie proste. Ponieważ neutrina posiadają zerowy ładunek elektryczny, nie oddziałują za pomocą oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ są leptonami, a nie kwarkami (oba wchodzą w skład fermionów), nie oddziałują za pomocą silnych oddziaływań jądrowych. Pozostają oddziaływania słabe oraz grawitacyjne, przy czym te ostatnie są niesamowicie trudne do wykrycia, ponieważ masa neutrin jest bardzo, bardzo mała. Efektem tych cech jest ogromna trudność obserwacji pojedynczych cząstek. Na szczęście naukowcy nie znają słów „nie da się” i dzięki temu możemy być świadkami kolejnych prób.
Nieuchwytne cząstki
Wyobraźcie sobie, że przez każdy centymetr powierzchni waszego ciała w każdej sekundzie przelatuje coś około biliona neutrin. Wydawać by się mogło, że skoro jest ich tak dużo, to przecież powinniśmy móc wykryć bodaj kilka cząstek. Niestety, z równą łatwością przebijają się one tak przez ludzkie ciało, jak i przez cały ziemski glob. Z tego powodu detektor neutrin musi spełniać szereg wymogów, bez których eksperyment nie ma szans na powodzenie.
Po pierwsze, należy znać kierunek, skąd owo neutrino może nadlecieć. Źródłami tych cząstek są przede wszystkim promienie kosmiczne oddziałujące w atmosferze oraz samo Słońce. Nie mamy problemów ze sztucznym ich wytworzeniem, dzięki czemu możemy oczekiwać cząstek z jednego, niezwykle ściśle sprecyzowanego kierunku. Po drugie, należy odizolować detektor od jakichkolwiek innych oddziaływań, takich jak – na przykład – promieniowanie kosmiczne. Rozwiązaniem jest umieszczenie detektora głęboko pod ziemią. Rodzi to jednak pewien problem, ponieważ trzecim warunkiem jest rozmiar detektora – im większy, tym lepszy. Ostatnim warunkiem powodzenia jest długi okres badań, ponieważ więcej danych oznacza więcej przykładów potwierdzonych obserwacji (w teorii), a co za tym idzie, możliwość dokładniejszej analizy.
Eksperyment DUNE jest rozwinięciem działającego od 2014 eksperymentu NOvA, w ramach którego zbudowano dwa najbardziej oddalone od siebie detektory neutrin. Musicie bowiem wiedzieć, że dane z jednego detektora mogą być dowodem niewystarczającym – dopiero obserwacja tej samej cząstki w dwóch oddzielnych obiektach daje nam potwierdzenie jej istnienia. Neutrino jest zatem wykrywane w jednym miejscu, a ułamek sekundy później w drugim – następnie należy obliczyć, czy jest to ta sama cząstka. W Fermilabie, gdzie prowadzono eksperyment NOvA, w detektorze wielkości autobusu w ciągu jednej doby wykrywano zaledwie kilka neutrin. Z jednej strony może się wydawać, że to całkiem niezły sukces, ale z drugiej przypomnijcie sobie bilion na sekundę na każdy centymetr.
Deep Underground Neutrino Experiment
DUNE porównywany jest do Wielkiego Zderzacza Hadronów z CERNu. Z dwóch powodów. Po pierwsze, jest olbrzymim przedsięwzięciem – pracuje nad nim ponad 1000 naukowców z 30 różnych krajów (w tym z Polski), a wśród inwestorów znajduje się sam CERN. Po drugie, jego rola jest porównywana do roli LHC, w którym odkryto bozon Higgsa i potwierdzono tym samym istnienie w kosmosie ukrytych pól oddziałujących z cząstkami. LHC jednak ma poważny problem, ponieważ nie odkryto w nim żadnych cząstek spoza Modelu Standardowego. Nie znaczy to, że jego praca jest bezwartościowa! Tylko, skoro przez tak długi czas nie odkryliśmy nic nowego, być może szukamy w niewłaściwym miejscu.
I tutaj na scenę wkraczają neutrina. Istotną cechą tych cząstek jest fakt posiadania przez nich trzech różnych stanów, w nauce nazwanych zapachami. Wyróżniamy więc neutrino elektonowe, mionowe i taonowe – nazwy pochodzą od cząstek, z którymi dane neutrino oddziałowuje, ale nie bójcie się, nie musicie ich pamiętać. Istotne jest to, że każdy z zapachów jest mieszaniną innych stanów masowych, czyli, mówiąc po ludzku, posiadają delikatnie różną masę, a co za tym idzie, ich prędkości mogą się minimalnie różnić. Jeśli dodamy do tego fakt, iż zapachy mogą się zmieniać w zależności od czasu i przestrzeni, otrzymujemy niezwykle trudną zagadkę. Mechanika kwantowa mówi, że niemożliwe jest precyzyjne określenie masy konkretnej cząstki, a jedynie przybliżenie jej poprzez składowe tych trzech stanów masowych. Do tego dochodzi jeszcze sposób klasyfikacji tych stanów – teoria przewiduje, że albo dwa neutrina są lekkie a jedno cięższe, albo dwa są ciężkie a jedno lżejsze.
By zrozumieć neutrina choć trochę, musimy dowiedzieć się, w jaki sposób przebiega oscylacja. W eksperymencie DUNE detektory są od siebie oddalone o przeszło 1300 kilometrów, co w teorii ma zapewnić dość czasu na zmianę zapachu netrino. Cząstki mają lecieć z Fermilabu w Batawii w Illinois, aż do Lead w Dakocie Południowej.
Wiemy, że nic nie wiemy
W tym wszystkim istotna jest również sama detekcja neutrin. Wspominałem wcześniej, jak trudne jest zarejestrowanie ich oddziaływania z resztą cząstek, a także o potrzebie budowy ogromnego detektora. W DUNE rozwiązano to w sposób następujący – gdy cząstka wyleci z akceleratora w Fermilabie, przelatuje przez detektor bliski znajdujący się… no, blisko. Następnie ta sama cząstka powinna zostać wykryta w detektorze dalekim w Dakocie Południowej. Za wykrycie odpowiada argon – zderzenie się neutrino z atomem argonu powoduje powstanie elektronu i fotonu, czyli czegoś, co można zaobserwować jako błysk światła. Nie to jest jednak najciekawsze. Wyobraźcie sobie pojemnik, w którym znajdują się cztery olbrzymie komory, z których każda zawiera siedemnaście tysięcy ton argonu. Mało tego, ten pojemnik znajduje się półtora kilometra pod ziemią. Z tego też powodu operacja wypełniania go argonem to droga w jedną stronę, ponieważ wypompowanie go pochłonęłoby zbyt wiele środków. Zbyt wiele nawet jak na projekt, który kosztuje około półtora miliarda dolarów.
I tym sposobem dobrnęliśmy do końca. Warto wiedzieć, że DUNE nie jest jedynym tego typu eksperymentem, jest jednak największy i prawdopodobnie najbardziej zaawansowany. Jego start planowany jest na lata dwudzieste, zaś czas trwania naukowcy określają na minimum dwie dekady. I to wszystko za półtora miliarda dolarów. A wiecie, ile Nike wydało na reklamę na całym świecie w 2016 roku? 3,17 miliarda dolarów. Ale to tylko taka dygresja. Trudno jednak powiedzieć, w jakim stopniu owocne będą owe lata badań, ale jedno jest pewne – jeśli chcemy zrozumieć neutrina, musimy coś czynić w tym kierunku. Dlatego pozostaje nam trzymać kciuki, by przewidywania naukowców okazały się trafione, bo kto wie, być może neutrina są dla Wszechświata bardziej istotne, niż jesteśmy to w stanie sobie wyobrazić.
źródła: Scientific American Listopad 2017, strona domowa eksperymentu
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.