Neitrīno ir elementārdaļiņa, kas ir ļoti līdzīga elektronam, bet tai nav elektriskā lādiņa. Tam ir ļoti maza masa, kas var būt pat nulle. Arī neitrīno ātrums ir atkarīgs no masas. Daļiņas un gaismas ierašanās laika atšķirība ir 0,0006% (± 0,0012%). 2011. gadā OPERA eksperimenta laikā tika konstatēts, ka neitrīno ātrums pārsniedz gaismas ātrumu, taču neatkarīga pieredze to neapstiprināja.
Netveramā daļiņa
Šī ir viena no visizplatītākajām daļiņām Visumā. Tā kā tas ļoti maz mijiedarbojas ar matēriju, to ir neticami grūti noteikt. Elektroni un neitrīni nepiedalās spēcīgā kodolu mijiedarbībā, bet vienlīdz piedalās vājās mijiedarbībās. Daļiņas ar šīm īpašībām sauc par leptoniem. Papildus elektronam (un tā antidaļiņai pozitronam) lādētie leptoni ietver muonu (200 elektronu masas), tau (3500 elektronu masas) un to antidaļiņas. Tos sauc tā: elektronu, muonu un tau neitrīno. Katram no tiem ir pretmateriāls komponents, ko sauc par antineutrino.
Muonam un tau, tāpat kā elektronam, ir daļiņas, kas tos pavada. Tie ir mionu un tau neitrīno. Trīs daļiņu veidi atšķiras viens no otra. Piemēram, kad mionu neitrīno mijiedarbojas ar mērķi, tie vienmēr rada mionus, nevis tau vai elektronus. Daļiņu mijiedarbībā, lai gan elektronus un elektronu-neitrīnus var radīt un iznīcināt, to summa paliek nemainīga. Šis fakts noved pie leptonu sadalīšanas trīs veidos, no kuriem katram ir uzlādēts leptons un pavadošais neitrīno.
Šīs daļiņas noteikšanai ir nepieciešami ļoti lieli un īpaši jutīgi detektori. Parasti zemas enerģijas neitrīno ceļos daudzus gaismas gadus pirms mijiedarbības ar vielu. Līdz ar to visi uz zemes veiktie eksperimenti ar tiem balstās uz to mazās daļas mērīšanu, kas mijiedarbojas ar saprātīga izmēra ierakstītājiem. Piemēram, Sadberijas neitrīno observatorijā, kurā ir 1000 tonnas smagā ūdens, caur detektoru iziet aptuveni 1012 saules neitrīno sekundē. Un tiek atrasti tikai 30 dienā.
Atklājumu vēsture
Volfgangs Pauli pirmo reizi postulēja daļiņas esamību 1930. gadā. Toreiz radās problēma, jo šķita, ka beta sabrukšanas laikā enerģija un leņķiskais impulss netika saglabāti. Bet Pauli atzīmēja, ka, ja tiek izstarota neitrāla neitrīna daļiņa, kas nedarbojas mijiedarbībā, tiks ievērots enerģijas nezūdamības likums. Itāļu fiziķis Enriko Fermi 1934. gadā izstrādāja beta sabrukšanas teoriju un deva daļiņai tās nosaukumu.
Neskatoties uz visām prognozēm, 20 gadus neitrīnus nevarēja atklāt eksperimentāli, jo tiem ir vāja mijiedarbība ar vielu. Tā kā daļiņas nav elektriskiuzlādēti, tos neietekmē elektromagnētiskie spēki, un tāpēc tie neizraisa vielas jonizāciju. Turklāt tie reaģē ar matēriju tikai ar vāju mijiedarbību ar nenozīmīgu spēku. Tāpēc tās ir viscaurlaidīgākās subatomiskās daļiņas, kas spēj iziet cauri milzīgam skaitam atomu, neizraisot nekādu reakciju. Tikai 1 no 10 miljardiem šo daļiņu, kas pārvietojas cauri matērijai attālumā, kas vienāds ar Zemes diametru, reaģē ar protonu vai neitronu.
Beidzot 1956. gadā amerikāņu fiziķu grupa Frederika Reinesa vadībā paziņoja par elektronu antineitrīna atklāšanu. Viņas eksperimentos no kodolreaktora izdalītie antineitroni mijiedarbojās ar protoniem, veidojot neitronus un pozitronus. Šo jaunāko blakusproduktu unikālie (un reti sastopamie) enerģijas signāli liecina par daļiņas esamību.
Uzlādētu mūonu leptonu atklāšana kļuva par sākumpunktu, lai vēlāk identificētu otro neitrīno tipu - mionu. To identifikācija tika veikta 1962. gadā, pamatojoties uz eksperimenta rezultātiem daļiņu paātrinātājā. Augstas enerģijas muoniskie neitrīni tika ražoti, sabrūkot pi-mezoniem un nosūtīti uz detektoru tā, lai varētu izpētīt to reakcijas ar vielu. Lai gan tie ir nereaktīvi, tāpat kā citi šo daļiņu veidi, ir konstatēts, ka retos gadījumos, kad tie reaģē ar protoniem vai neitroniem, mionu-neitrīni veido mūnus, bet nekad elektronus. 1998. gadā amerikāņu fiziķi Leons Ledermans, Melvins Švarcs un Džeks Šteinbergerssaņēma Nobela prēmiju fizikā par muona-neitrīna identificēšanu.
70. gadu vidū neitrīno fizika tika papildināta ar cita veida uzlādētiem leptoniem – tau. Tau neitrīno un tau antineutrino izrādījās saistīti ar šo trešo uzlādēto leptonu. 2000. gadā Nacionālās paātrinātāja laboratorijas fiziķi. Enriko Fermi ziņoja par pirmajiem eksperimentālajiem pierādījumiem par šāda veida daļiņu esamību.
Mise
Visu veidu neitrīno masa ir daudz mazāka nekā to uzlādēto kolēģu masa. Piemēram, eksperimenti parāda, ka elektronu neitrīno masai jābūt mazākai par 0,002% no elektronu masas un ka trīs sugu masu summai jābūt mazākai par 0,48 eV. Daudzus gadus šķita, ka daļiņas masa ir nulle, lai gan nebija pārliecinošu teorētisku pierādījumu, kāpēc tam vajadzētu būt. Pēc tam 2002. gadā Sadberijas neitrīno observatorija sniedza pirmos tiešus pierādījumus tam, ka elektronu neitrīno, ko izdala kodolreakcijām Saules kodolā, mainās veids, kad tie pārvietojas pa to. Šādas neitrīno "svārstības" ir iespējamas, ja viena vai vairāku veidu daļiņām ir neliela masa. Viņu pētījumi par kosmisko staru mijiedarbību Zemes atmosfērā arī norāda uz masas klātbūtni, taču ir nepieciešami turpmāki eksperimenti, lai to noteiktu precīzāk.
Avoti
Dabiskie neitrīno avoti ir elementu radioaktīvā sabrukšana Zemes zarnās,tiek izstarota liela zemas enerģijas elektronu-antineitrīnu plūsma. Supernovas ir arī pārsvarā neitrīno parādība, jo tikai šīs daļiņas var iekļūt superblīvā materiālā, kas rodas sabrūkot zvaigznei; tikai neliela daļa enerģijas pārvēršas gaismā. Aprēķini liecina, ka aptuveni 2% no Saules enerģijas ir neitrīno enerģija, kas rodas kodolsintēzes reakcijās. Visticamāk, ka lielāko daļu tumšās vielas Visumā veido neitrīni, kas radušies Lielā sprādziena laikā.
Fizikas problēmas
Ar neitrīniem un astrofiziku saistītās jomas ir daudzveidīgas un strauji attīstās. Pašreizējie jautājumi, kas piesaista lielu skaitu eksperimentālu un teorētisku pūliņu, ir šādi:
- Kādas ir dažādu neitrīno masas?
- Kā tie ietekmē Lielā sprādziena kosmoloģiju?
- Vai tie svārstās?
- Vai viena veida neitrīni, ceļojot pa matēriju un telpu, var pārveidoties par citiem?
- Vai neitrīni būtiski atšķiras no to antidaļiņām?
- Kā zvaigznes sabrūk un veido supernovas?
- Kāda ir neitrīno nozīme kosmoloģijā?
Viena no ilgstošām īpaši interesējošām problēmām ir tā sauktā saules neitrīno problēma. Šis nosaukums attiecas uz faktu, ka vairākos uz zemes bāzētos eksperimentos, kas veikti pēdējo 30 gadu laikā, konsekventi tika novērots mazāk daļiņu, nekā nepieciešams saules izstarotās enerģijas ražošanai. Viens no tās iespējamiem risinājumiem ir svārstības, t.i., elektroniskās transformācijasneitrīno nonāk muonos vai tau, ceļojot uz Zemi. Tā kā ir daudz grūtāk izmērīt zemas enerģijas mionu vai tau neitrīno, šāda veida transformācija varētu izskaidrot, kāpēc mēs nenovērojam pareizo daļiņu skaitu uz Zemes.
Ceturtā Nobela prēmija
2015. gada Nobela prēmija fizikā tika piešķirta Takaaki Kajita un Arthur McDonald par neitrīno masas atklāšanu. Šī bija ceturtā šāda balva saistībā ar šo daļiņu eksperimentāliem mērījumiem. Daži varētu brīnīties, kāpēc mums vajadzētu tik ļoti rūpēties par to, kas tik tikko mijiedarbojas ar parasto vielu.
Pats fakts, ka mēs varam atklāt šīs īslaicīgās daļiņas, liecina par cilvēka atjautību. Tā kā kvantu mehānikas noteikumi ir ticami, mēs zinām, ka, lai gan gandrīz visi neitrīni šķērso Zemi, daži no tiem mijiedarbosies ar to. Pietiekami liels detektors, lai to noteiktu.
Pirmā šāda ierīce tika uzbūvēta sešdesmitajos gados dziļi raktuvēs Dienviddakotā. Raktuve tika piepildīta ar 400 tūkstošiem litru tīrīšanas šķidruma. Vidēji viena neitrīno daļiņa katru dienu mijiedarbojas ar hlora atomu, pārvēršot to argonā. Neticami, ka Raimonds Deiviss, kurš bija atbildīgs par detektoru, izdomāja veidu, kā noteikt šos dažus argona atomus, un četras desmitgades vēlāk, 2002. gadā, viņam tika piešķirta Nobela prēmija par šo apbrīnojamo tehnisko varoņdarbu.
Jauna astronomija
Tā kā neitrīno mijiedarbojas tik vāji, tie var nobraukt lielus attālumus. Tie dod mums iespēju ieskatīties vietās, kuras mēs citādi nekad neredzētu. Deivisa atklātie neitrīni radās kodolreakcijās, kas norisinājās pašā Saules centrā, un varēja izbēgt no šīs neticami blīvās un karstās vietas tikai tāpēc, ka tie gandrīz nesaskaras ar citām vielām. Ir pat iespējams noteikt neitrīno, kas lido no sprādzienbīstamas zvaigznes centra vairāk nekā simts tūkstošu gaismas gadu attālumā no Zemes.
Turklāt šīs daļiņas ļauj novērot Visumu ļoti mazā mērogā, kas ir daudz mazāks par to, ko spēj aplūkot Lielais hadronu paātrinātājs Ženēvā, kas atklāja Higsa bozonu. Šī iemesla dēļ Nobela komiteja nolēma piešķirt Nobela prēmiju par cita veida neitrīno atklāšanu.
Noslēpumaini pazudušie
Kad Rejs Deiviss novēroja saules neitrīnus, viņš atrada tikai trešdaļu no paredzētā skaita. Lielākā daļa fiziķu uzskatīja, ka iemesls tam bija sliktas zināšanas par Saules astrofiziku: iespējams, zvaigznes interjera modeļi pārvērtēja tajā saražoto neitrīno skaitu. Tomēr gadu gaitā, pat uzlabojoties saules modeļiem, deficīts saglabājās. Fiziķi vērsa uzmanību uz citu iespēju: problēma varētu būt saistīta ar mūsu izpratni par šīm daļiņām. Saskaņā ar tolaik valdošo teoriju viņiem nebija masas. Bet daži fiziķi ir iebilduši, ka daļiņām patiesībā bija bezgalīgi mazs daudzumsmasu, un šī masa bija iemesls to trūkumam.
Trīspusēju daļiņa
Saskaņā ar neitrīno svārstību teoriju dabā ir trīs dažādi neitrīno veidi. Ja daļiņai ir masa, tad kustībā tā var mainīties no viena veida uz citu. Trīs veidi - elektrons, mions un tau - mijiedarbojoties ar vielu, var pārvērsties par atbilstošo lādētu daļiņu (elektronu, mionu vai tau leptonu). "Svārstības" rodas kvantu mehānikas dēļ. Neitrīno veids nav nemainīgs. Laika gaitā tas mainās. Neitrīno, kas savu eksistenci sāka kā elektronu, var pārvērsties par mionu un pēc tam atgriezties. Tādējādi daļiņa, kas veidojas Saules kodolā, ceļā uz Zemi, periodiski var pārvērsties par mionu-neitrīnu un otrādi. Tā kā Deivisa detektors varēja noteikt tikai elektronu neitrīnus, kas spēj novest pie hlora kodolpārvēršanās argonā, šķita, ka trūkstošie neitrīno ir pārvērtušies par citiem veidiem. (Kā izrādās, neitrīno svārstās Saules iekšienē, nevis ceļā uz Zemi.)
Kanādas eksperiments
Vienīgais veids, kā to pārbaudīt, bija izveidot detektoru, kas darbojās visiem trim neitrīno veidiem. Kopš 1990. gadiem Arturs Makdonalds no Karalienes Ontario universitātes ir vadījis komandu, kas to izdarīja raktuvēs Sadberijā, Ontario. Objektā atradās tonnas smagā ūdens, kas bija aizdots no Kanādas valdības. Smagais ūdens ir reta, bet dabā sastopama ūdens forma, kurā ūdeņradis, kas satur vienu protonu,aizstāts ar tā smagāko izotopu deitēriju, kas satur protonu un neitronu. Kanādas valdība uzkrāja smago ūdeni, jo to izmanto kā dzesēšanas šķidrumu kodolreaktoros. Visi trīs neitrīno veidi varēja iznīcināt deitēriju, veidojot protonu un neitronu, un pēc tam neitroni tika skaitīti. Detektors reģistrēja aptuveni trīs reizes vairāk daļiņu, salīdzinot ar Deivisu – tieši tādu skaitu, kādu prognozēja labākie Saules modeļi. Tas liecināja, ka elektronu neitrīno var svārstīties citos tā veidos.
Japāņu eksperiments
Aptuveni tajā pašā laikā Takaaki Kajita no Tokijas universitātes veica vēl vienu ievērojamu eksperimentu. Japānas raktuvēs uzstādīts detektors reģistrēja neitrīnus, kas nāk nevis no Saules zarnām, bet gan no augšējiem atmosfēras slāņiem. Kosmisko staru protoniem saduroties ar atmosfēru, veidojas citu daļiņu lietus, tostarp mionu neitrīno. Šahtā viņi ūdeņraža kodolus pārvērta par mioniem. Kajita detektors varēja redzēt daļiņas, kas nāk divos virzienos. Daži krita no augšas, nākot no atmosfēras, bet citi pārvietojās no apakšas. Daļiņu skaits bija atšķirīgs, kas liecināja par to atšķirīgo raksturu - tās atradās dažādos to svārstību ciklu punktos.
Revolūcija zinātnē
Tas viss ir eksotiski un pārsteidzoši, bet kāpēc svārstības un neitrīno masas piesaista tik lielu uzmanību? Iemesls ir vienkāršs. Daļiņu fizikas standarta modelī, kas izstrādāts divdesmitā gadsimta pēdējos piecdesmit gados,kas pareizi aprakstīja visus citus novērojumus paātrinātājos un citos eksperimentos, neitrīniem vajadzēja būt bezmasas. Neitrīno masas atklāšana liecina, ka kaut kā trūkst. Standarta modelis nav pilnīgs. Trūkstošie elementi vēl ir jāatklāj, izmantojot lielo hadronu paātrinātāju vai citu iekārtu, kas vēl tiks izveidota.
