Oleme uhmris neutriinoseis. Nad on kahest tosinast subatomiaalsest osakesest kõige kergemad ja pärinevad kõigist suundadest: universumist alguse saanud Suurest Paugust, plahvatavate tähtede ja ennekõike Päikese poolt. Nad tulevad otse läbi maa peaaegu valguse kiirusel, kogu aeg, päeval ja öösel, tohutul hulgal. Meie keha läbib iga sekund umbes 100 triljonit neutriini.
Seotud sisu
- Kummaliste portaalide avamine füüsikas
Füüsikute jaoks on probleemiks see, et neutriinoid on võimatu näha ja raskesti tuvastatavaid. Iga selleks mõeldud instrument võib tunda puudutust, kuid neutrinode suhtes on isegi roostevaba teras enamasti tühi ruum, päikesesüsteem on komeedile nii avatud. Veelgi enam, erinevalt enamikust subatomaatilistest osakestest pole neutriinodel elektrilaengut - nad on neutraalsed, sellest ka nimetus -, nii et teadlased ei saa nende hõivamiseks kasutada elektrilisi ega magnetilisi jõude. Füüsikud nimetavad neid “kummitusosakesteks”.
Nende tabamatute olemite tabamiseks on füüsikud teinud mõned erakordselt ambitsioonikad katsed. Et neutriinoid ei segataks kosmiliste kiirtega (kosmose subatomilised osakesed, mis ei tungi maa sisse), paigaldatakse detektorid sügavale maa alla. Hiiglaslikud on paigutatud kulla- ja nikkelkaevandustesse, mägede all olevatesse tunnelitesse, ookeani ja Antarktika jäässe. Need kummaliselt ilusad seadmed on monumendid inimkonna otsustavusele universumi tundma õppida.
On ebaselge, millised praktilised rakendused tulevad neutriinode uurimisel. “Me ei tea, kuhu see viib, ” ütleb Illinoisi osariigis Batavia Fermilabi teoreetiline füüsik Boris Kayser.
Füüsikud uurivad neutriinoid osaliselt seetõttu, et neutriinod on nii veidrad tegelased: näib, et nad rikuvad reegleid, mis kirjeldavad loodust selle kõige põhilisemas osas. Ja kui füüsikud kavatsevad kunagi täita lootuse töötada välja ühtne reaalsusteooria, mis selgitaks eranditult looduse põhitõdesid, peavad nad arvestama neutriinode käitumisega.
Lisaks sellele intrigeerivad neutriinod teadlasi, sest osakesed on universumi välimiste jõudude sõnumitoojad, mis on loodud vägivaldselt plahvatavate galaktikate ja muude salapäraste nähtuste poolt. "Neutrinod võivad meile öelda asju, mida õrnemad osakesed ei suuda, " ütleb Kayser.
Füüsikud kujutasid neutrinoosid ette juba ammu enne, kui nad üldse leidsid. 1930. aastal lõid nad kontseptsiooni tasakaalustava võrrandi tasakaalustamiseks. Kui radioaktiivse aatomi tuum laguneb, peab selle eralduvate osakeste energia võrdne algselt sisalduva energiaga. Kuid tegelikult, teadlaste sõnul, kaotas tuum rohkem energiat kui detektorid võtsid. Selle lisaenergia arvelevõtmiseks mõtles füüsik Wolfgang Pauli välja tuuma eralduva lisaosa, nähtamatu. "Olen täna teinud midagi väga halba, pakkudes välja osake, mida ei saa tuvastada, " kirjutas Pauli oma ajakirjas. "See on asi, mida ükski teoreetik ei peaks kunagi tegema."
Eksperimentalistid hakkasid seda niikuinii otsima. Lõuna-Carolinas asuvas tuumarelvalaboris 1950ndate keskel paigutasid nad tuumareaktori taha kaks suurt veemahutit, mis nende võrrandite kohaselt oleks pidanud tegema kümme triljonit neutriini sekundis. Detektor oli tänapäevaste standardite järgi pisike, kuid siiski suutis ta tuvastada neutrinoid - kolm tundi. Teadlased tegid kindlaks, et kavandatud neutriino oli tegelikult reaalne; hajutatud osakeste uurimine kiirenes.
Kümmekond aastat hiljem suurenes väli, kui teine füüsikute rühm paigaldas detektori Homestake'i kullakaevanduses Lõuna-Dakotas Leadis 4850 jalga maa alla. Selles katses otsustasid teadlased jälgida neutriine, jälgides, mis juhtub harva, kui neutriino põrkub kloori aatomiga ja tekitab radioaktiivse argooni, mis on hõlpsasti tuvastatav. Katse keskmes oli paak, mis oli täidetud 600 tonni klooririkka vedelikuga, perklooroetüleeniga - keemilises puhastuses kasutatava vedelikuga. Iga paari kuu tagant loputavad teadlased paaki ja eraldavad umbes 15 argooni aatomit, mis tõendab 15 neutriino olemasolu. Seire jätkus enam kui 30 aastat.
Lootes tuvastada suuremat arvu neutriine, viisid teadlased Jaapanis katse tsingikaevanduses 3300 jalga maa alla. Super-Kamiokande ehk Super-K, nagu teada, alustas tööd 1996. Detektor koosneb 50 000 tonnist veest kuplikujulises paagis, mille seinad on kaetud 13 000 valguseanduriga. Andurid tuvastavad aeg-ajalt sinise välklambi (meie silmade jaoks liiga nõrk), mis juhtub siis, kui neutriino põrkub vees oleva aatomiga kokku ja loob elektroni. Ja jälgides elektronide täpset rada vees, võisid füüsikud tuletada kosmoses kokku põrkuva neutriino allika. Enamik, nad leidsid, olid pärit päikesest. Mõõtmised olid piisavalt tundlikud, et Super-K saaks jälgida päikese teekonda üle taeva ja peaaegu miili kaugusel maapinnast vaadata päeva muutumist ööks. "See on tõesti põnev asi, " ütleb Massachusettsi tehnoloogiainstituudi füüsik Janet Conrad. Tahkete osakeste jälgi saab koostada, et luua “ilus pilt, päikesepilt neutriinos”.
Kuid Homestake'i ja Super-K eksperimendid ei tuvastanud nii palju neutriine kui füüsikud eeldasid. Sudbury Neutrino observatooriumi (SNO, hääldatud lume) uuringutega tehti kindlaks, miks. SNO, mis on paigaldatud Ontarios asuvasse 6800 jala sügavusesse niklikaevandusse, sisaldab 1100 tonni “rasket vett”, milles on ebaharilik vesiniku vorm, mis reageerib suhteliselt hõlpsalt neutrinodega. Vedelik on mahutis, mis on riputatud tohutu akrüülpalli sisse, mida hoitakse ise geodeetilise pealisehituse sees, mis neelab vibratsiooni ja mille külge on riputatud 9 456 valgussensorit - kogu asi näeb välja nagu 30 jala pikkune jõulupuu ornament.
SNO-s töötavad teadlased avastasid 2001. aastal, et neutriino võib spontaanselt lülituda kolme erineva identiteedi vahel - või nagu füüsikud väidavad, võngub see kolme maitse vahel. Avastusel oli jahmatav mõju. Esiteks näitas see, et eelnevad katsed tuvastasid prognoositust palju vähem neutriine, kuna instrumendid olid häälestatud ainult ühele neutriino maitsele - sellisele, mis loob elektroni - ja puuduvad ümberlülitatavad. Teise puhul kukutasid leiud füüsikute veendumuse, et neutriinol, nagu footonil, ei ole massi. (Maitseainete vahel võngetamine on asi, mida suudavad teha ainult massiga osakesed.)
Kui palju massi neutriinodel on? Selle välja selgitamiseks ehitavad füüsikud KATRINi - Karlsruhe triitiumi neutrinokatset. KATRINi ärilõpus on 200-tonnine seade, mida nimetatakse spektromeetriks ja mis mõõdab aatomite massi enne ja pärast nende lagunemist radioaktiivselt - selgub seeläbi, kui palju massi neutriino kannab. Tehnikud ehitasid spektromeetri umbes 250 miili kaugusel Karlsruhest, Saksamaalt, kus katse hakkab toimuma; seade oli piirkonna kitsaste teede jaoks liiga suur, nii et see pandi paadiga Doonau jõele ja hõljus Viini, Budapesti ja Belgradi juurest Musta mere äärde Egeuse ja Vahemere äärde Hispaania ümbrusesse La Manche'i kaudu, Rotterdami ja Reini, sealt lõunasse Saksamaa Leopoldshafeni jõesadamasse. Seal laaditi see veokile maha ja tormas läbi linna sihtkohta kaks kuud ja 5600 miili hiljem. Andmete kogumist on kavas alustada 2012. aastal.
Füüsikud ja astronoomid, keda huvitab teave, mida kosmosest pärit neutriinod võivad sisaldada supernoovasid või põrkuvaid galaktikaid, on üles seadnud neutriino "teleskoobid". Üks, nimega IceCube, asub Antarktika jääväljal. Kui see valmib, koosneb see 2011. aastal enam kui 5000 sinise valguse andurist (vt ülaltoodud diagrammi). Andurid pole suunatud taeva poole, nagu võite arvata, vaid maapinna poole, et tuvastada päikesest ja kosmosest pärit neutriine, mis tulevad planeedi kaudu põhja poolt. Maa blokeerib kosmilised kiired, kuid enamik neutriine tõmbub läbi 8000 miili laiuse planeedi nii, nagu poleks seda olemas.
Mitme Lääneriigi osariigis toimub pikamaa neutriinokatse. Suure energiatarbimisega kiirendi, mis genereerib alaatomilisi osakesi, tulistab neutriinode ja nendega seotud osakeste talasid kuue miili sügavusel Illinoisi põhjaosas, üle Wisconsini ja Minnesotasse. Osakesed algavad Fermilabist osana eksperimendist, mida nimetatakse peainjektori neutriino ostsillatsiooniotsinguks (MINOS). Vähem kui kolme tuhande sekundi jooksul tabasid nad 450 miili kaugusel asuvas Soudani raudkaevanduses asuvat detektorit. Teadlaste kogutud andmed muudavad nende pildi sellest lõpmatust maailmast keerukamaks: nüüd näib, et neutriinode eksootilised vormid, nn anti-neutriinod, ei pruugi järgida samu võnkereegleid kui teised neutriinod.
"Mis on lahe, " ütleb Conrad, "kas see pole just see, mida me ootasime."
Kui rääkida neutriinodest, siis seda on väga vähe.
Ann Finkbeineri uusim raamat "Suur ja julge asi" räägib Sloan Digital Sky Survey-st, katsest universumit kaardistada.
Enamik meid pommitanud neutriinodest pärineb päikesest, mida siin näidatakse ultraviolettpildil. (NASA) 
Jaapani õõnsas Super-Kamiokande detektor on vooderdatud 13 000 anduriga, et täpsustada neutriinode märke. Paadis töötavad töötajad jälgivad seadet, kuna see täitub veega. (Tokio ülikooli Kamioka observatoorium, ICRR (Kosmiliste Ray Research Institute)) 
Päikese tuumas toimuvate reaktsioonide seerias loovad vesinikuaatomid tuumasünteesi käigus heeliumi. Protsess vabastab energiat ja subatomaalseid osakesi, sealhulgas neutrinoid. Kui footon või valguse osake lahkub päikese tihedast tuumast, jääb see kuuma ja raevu lõksu ja ei pruugi jõuda meieni miljonite aastate jooksul. Kuid päikeseline neutriino on avastamata ja jõuab maale kaheksa minutiga. (Samuel Velasco / 5W infograafika) 
Kanada Sudbury Neutrino vaatluskeskus kinnitas, et neutriino võib muuta tema identiteeti. (SNO) 
New Yorgi Brookhaveni riikliku labori füüsikud, keda siin näidatakse labori STAR-detektoris, loodavad tulistada neutriinokiire maa alla Homestake'i kaevandusse Lõuna-Dakotas. (BNL) 
MINOS-i neutriinodetektor Minnesotas on Illinoisist tulistatud neutriinode kiirte sihtmärk. (Fermilab Visual Media Services) 
KATRINi spektromeeter, mis mõõdab neutriino massi, pigistatakse läbi Leopoldshafeni, Saksamaa, teel laborisse. (Karlsruhe tehnoloogiainstituut) 
Antarktikas asuv IceCube'i neutriinodetektor on jäässe kinnistatud. 5000 anduriga, mis on ühendatud enam kui 70 rea külge, otsib IceCube neutriine, mis on planeedi 8000 miili läbinud. (Wisconsini ülikool - Madison) 
Andurite jada laskub 8000 jala sügavusesse auku. (Jim Haugen / Riiklik teadusfond)
