Kada eliminišeš nemoguće, sve što preostane, ma kako neverovatno bilo, mora biti istina – (Šerlok Holms – The sign of four)
Detektor za neutrine SuperKamiokande u Japanu
Ove godine je Nobelova nagrada iz fizike dodeljena Takaaki Kajiti i Arturu B. McDonaldu “za otkriće neutrino oscilacija, koje je pokazalo da neutrini imaju masu”. Na ovaj način je razrešena misterija solarnih neutrina (i neutrina uopšte) koja je započela još pre 50 godina. Ovako je to bilo.
Svi znamo da Sunce proizvodi ogromnu količinu energije koja do nas koji smo na Zemlji dolazi u obliku elektromagnetskog zračenja kao svetlost, toplota, itd. Takodje je jasno da tolika energija samo može da se proizvede nuklearnim reakcijama (u pitanju je fuzija) koje se u unutrašnjosti Sunca odvijaju. Prilikom nuklearne fuzije koja se dešava unutar Sunca dolazi do spajanja 4 protona sa 4 neutrona u jezgro heliuma (2 protona i 2 neutrona) uz emitovanje 2 elektrona, čestice zvane “neutrino” i energije (ovo je opis u najgrubljim crtama – detalji nisu mnogo bitni). Ta energija u obliku zračenja dolazi do nas na Zemlji. Pored toga do nas stiže i velika količina neutrina - otprilike 50 milijardi neutrina po kvadratnom santimetru, tj., kroz površinu vaseg nokta u svakom trenutku prolazi toliko milijardi neutrina. Kako mi to znamo?
Pa, na osnovu količine energije koju Sunce emituje može se proračunati koliko fuzionih reakcija se unutar Sunca dešava i koliko neutrina se tom prilikom emituje. Otprilike kao kad bi na osnovi sjaja neke udaljene vatre procenili koliko cepanica je stavljeno u vatru. Sada, ti neutrini su posebno zanimljivi: oni su neutralne čestice, nulte mase mirovanja (tako se verovalo do nedavno), koje putuju kroz prostor brzinom svetlosti i veoma slabo interaguju sa bilo čim. Zato nije problem što toliki neutrini stalno proleću kroz vaše telo: s njihove tačke gledišta vi ne postojite. Niti bilo koja prepreka postoji – oni brzinom svetlosti prolaze kroz zvezde, planete, kroz vas, neometano. Od sto milijardi neutrino koji prodju kroz Zemlju, samo jedan sa necim u našoj planeti interaguje.
Da bi se proverila teorija o prirodi i broju nuklearnih reakcija na Suncu, bilo bi dobro da se izmeri broj neutrina koji do nas stižu i taj broj uporedi sa teorijski dobijenim brojevima. Ako se teorija i eksperiment slažu, to znači da je model nuklearnih reakcija na Suncu ispravan.
Medjutim, detekcija (i prebrojavanje) neutrina koji do nas sa Sunca dopiru (tzv. solarni neutrini) je izuzetno teška jer te čestica veoma slabo interaguju sa materijom – kakav god detektor postavili, neutrino kroz njega prođe neopaženo. Samo u retkim situacijama neutrino interaguje sa materijom: kada se sudari sa hlorom (Cl), on može da izazove reakciju iz koje se stvori radioaktivni argon (Ar). Vodjen ovom idejom, Rejmond Dejvis je 1964. godine kontruisao detektor neutrina – to je bio ogroman bazen napunjen deterdzentom (ima mnogo hlora!) smešten u jednom rudniku zlata u Južnoj Dakoti. Kada neutrino udari u Cl, formira se radioaktivni Ar (ovo se zove “značajan dogadjaj”), pa su postavljeni detektori oko bazena da taj dogadjaj zabeleže. Prema uradjenim računima, na osnovu modela fuzije unutar Sunca, oko 10 takvih dogadjaja bi trebalo da se desi nedeljno. Uprkos svim proverama i super- proverama računa i eksperimentalnog uredjaja, nedeljno je zabeleženo oko tri puta manje neutrina nego što se očekivalo. (Za ova merenja, Dejvis je dobio Nobelovu nagradu 2002. godine) Samo tri “značajna događaja” umesto deset! I ovde nastaje misterija.
Da li je model nuklearnih interakcija na Suncu pogrešan, pa je i račun (procena od oko 10 deset dogadjaja) pogrešan? Da li, možda, nešto sa eksperimentom nije u redu? Gde su nedostajući neutrini?
Sada moram da kažem i par reči o neutrinima. Otprilike u isto vreme počelo je da se špekuliše da postoje tri vrste neutrina (svi neutralni, svi nulte mase): elektronski neutrini, mezonski neutrino i tau neutrino. U fuzionim reakcijama na Suncu proizvode se samo elektronski neutrini (ovi ostali nastaju prilikom supernova eksplozija i drugih kosmičkih pojava). Mi, dakle, očekujemo da do detektora na Zemlji stignu samo takvi solarni neutrini. Štaviše, pojavile su se ideje da se tri vrste neutrini, kao Raja, Gaja i Vlaja, pretvaraju jedni u druge, a ova pojava je nazvana “neutrino rezonanca”. Jedan od fizičara koji je razvio ovu teoriju je i Bruno Pontecorvo – briljantan italijanski fizičar, ubedjeni komunista, koji je odbegao u SSSR (Dubna) pedesetih godina i tamo proveo veći deo naučne karijere. Uz Ettore Majorana, on je još jedan od freaky saradnika E. Fermija, ali to je za drugi blog koji tek treba da bude jednom napisan.
Da bi nekako razrešili misteriju nedostajućih neutrina, fizičari su izgradili nekoliko detektora širom planete, i svi su bili smešteni pod zemljom, u rudnicima i jamama. Ali, da skratim priču, jedan od značajnijih je Super Kamiokande, napravljen ispod planine Kamioka u Japanu (pogađate da je njegov manji prehodnik bio Kamiokande). Slika unutrašnjosti tog detektora je prikazana na vrhu ovog teksta.
Posle mnogo godina merenja, novi poboljšani detektori su ustanovili prisustvo druge dve vrste (osim elektronskih) neutrina koje potiču iz reakcija na Suncu. Aha, šta sada to znači? Sa Sunca treba da pristižu samo elektronski neutrini, a to se ne dešava. Kako to objasniti?
Da li je naše razumevanje reakcija na Suncu pogrešno? Da li su detektori loši ili neprecizni? Da li je naše razumevanje fizike neutrina pogrešno?
Kada eliminšemo nemoguće, ono što preostane mora da je istina, kaže Holms. I tako se desilo. Naime, i teorija o poreklu Sunčeve energije je tačna, i detektori su dovoljno precizni. Razrešenje je sledeće: prilikom nuklearnih reakcija na Suncu oslobadja se velika količina elektronskih neutrina (takva je priroda reakcije). Putujući od Sunca do Zemlje, elektronski neutrini se pretvaraju u mionske i tau neutrine, i obrnuto, - setimo se gore pomenute neutrino resonance – tako da, statistički, do nas stigne samo trećina elektronskih neutrina oslobodjenih tokom fuzije. Upravo onaj broj koji je još pre pola veka izmeren. One druge taj detektor nije mogao ni da vidi. Misterija rešena.
Medjutim, medjutim.
Ako neutrino nema masu i (dakle) kreće se brzinom svetlosti, onda u njegovom referentnom sistemu vreme stoji! Kako u nultom vremenu putovanja do Zemlje on ipak uspe da se pretvori u druge svoje klonove (koji se zovu “flavors”, btw.) ? E, pa neutrino se ne kreće brzinom svetlosti (mada je izuzetno brz) jer ima masu (oko 50 000 puta manju od mase elekktrona). I to je drugi deo na početku citirane rečenice kojim se obrazlaže dodela Nobelove nagrade za fiziku 2015. godine. Neutrini imaju masu. Veoma malu, ali su već postali kandidat za razrešenje misterije zvane "tamna materija".