Neutrinii sunt poate cei mai încurcători dintre particulele cunoscute. Ei pur și simplu aruncă toate regulile cunoscute despre modul în care particulele trebuie să se comporte. Ei batjocorează detectoarele noastre fanteziste. La fel ca pisicile cosmice, acestea traversează universul fără griji sau grijă, interacționând ocazional cu ceilalți dintre noi, dar într-adevăr doar atunci când simt așa ceva, ceea ce sincer nu este atât de des.
Cel mai frustrant dintre toate, poartă măști și nu arată niciodată la fel de două ori.
Dar un nou experiment poate ne-a făcut doar un pas mai aproape de a-i smulge pe măști. Dezvăluirea adevăratei identități neutrinoase ar putea ajuta la răspunsul la întrebări de lungă durată, cum ar fi dacă neutrinii sunt partenerii lor antimateriali și chiar ar putea ajuta la unificarea forțelor naturii într-o singură teorie.
O problemă masivă
Neutrinele sunt ciudate. Există trei tipuri: neutrino electron, neutrino muon și neutrino tau. (Există, de asemenea, versiunile antiparticule ale celor trei, dar aceasta nu este o mare parte din această poveste.) Sunt numite astfel pentru că aceste trei tipuri ajung la petrecere cu trei tipuri diferite de particule. Neutronii electroni se unesc cu interacțiuni care implică electroni. Neuronii de muon se împerechează cu muioanele. Nu se vor acorda puncte pentru ghicirea cu care interacționează neutrino tau.
Până acum, nu este deloc ciudat. Iată partea ciudată.
Pentru particule care sunt nu neutrinii - cum ar fi electronii, muonii și particulele de tau - ceea ce vezi este ceea ce obții. Aceste particule sunt exact aceleași, cu excepția masei lor. Dacă observați o particulă cu masa unui electron, se va comporta exact așa cum ar trebui să se comporte un electron și același lucru este valabil și pentru muon și tau. Ba mai mult, odată ce localizați un electron, acesta va fi întotdeauna un electron. Nimic mai mult, nimic mai puțin. La fel pentru muon și tau.
Dar același lucru nu este valabil și pentru verișorii lor, electronii, muon și neutrinii tau.
Ceea ce numim, spunem, "neutru tau" nu este întotdeauna neutrino tau. Își poate schimba identitatea. Poate deveni, la mijlocul aerului, un neutrin de electroni sau muoni.
Acest fenomen ciudat la care, în principiu, nimeni nu se aștepta se numește oscilare neutrino. Înseamnă, printre altele, că puteți crea un neutrin de electroni și să îl trimiteți celui mai bun prieten ca prezent. Însă, în momentul în care o obțin, pot fi dezamăgiți să găsească în schimb un neutrin tau.
Teeter-clătina
Din motive tehnice, oscilația neutrinilor funcționează numai dacă există trei neutrini cu trei mase diferite. Dar neutrinii care oscilează nu sunt neutrinii cu aromă de electroni, muoni și tau.
În schimb, există trei neutrini „adevărați”, fiecare cu mase diferite, dar necunoscute. Un mix distinct dintre acești neutrini adevărați fundamentali creează fiecare dintre aromele de neutrino pe care le detectăm în laboratoarele noastre (electron, muon, tau). Deci, masa măsurată în laborator este un amestec dintre acele adevărate mase de neutrino. Între timp, masa fiecărui neutrin adevărat din amestec guvernează cât de des se transformă în fiecare dintre diferitele arome.
Treaba pentru fizicieni este acum să dezintegreze toate relațiile: Care sunt masele acelor adevărați neutrini și cum se amestecă pentru a face cele trei arome?
Deci, fizicienii sunt într-o vânătoare pentru a descoperi masele neutrinilor „adevărați”, privind când și cât de des schimbă aromele. Din nou, jargonul fizicii este foarte nefolositor atunci când explică acest lucru, deoarece numele acestor trei neutrini sunt pur și simplu m1, m2 și m3.
O varietate de experimente dureroase le-a învățat oamenilor de știință unele lucruri despre masele neutrinilor adevărați, cel puțin indirect. De exemplu, știm despre unele dintre relațiile dintre pătratul maselor. Dar nu știm exact cât cântărește oricare dintre neutrinii adevărați și nu știm care sunt cei mai grei.
S-ar putea ca m3 să fie cel mai greu, depășind mult m2 și m1. Aceasta se numește „ordonare normală”, deoarece pare destul de normală - și este vorba despre fizicienii care au ordonat, în esență, ghiciti cu zeci de ani în urmă. Însă, bazat pe starea noastră actuală de cunoaștere, s-ar putea să fie și faptul că m2 este cel mai greu neutrino, cu m1 nu în urmă și m3 în comparație. Acest scenariu se numește „comandă inversată”, deoarece înseamnă că am ghicit inițial o comandă greșită.
Desigur, există tabere de teoreticieni care se bazează pe fiecare dintre aceste scenarii pentru a fi adevărate. Teoriile care încearcă să unifice toate (sau cel puțin majoritatea) forțelor naturii sub un singur acoperiș cer de obicei o ordonare normală a maselor neutrinoase. Pe de altă parte, ordonarea în masă inversată este necesară pentru ca neutrino să fie propriul său gemen anti-particule. Și dacă acest lucru ar fi adevărat, ar putea ajuta să explice de ce există mai multă materie decât antimaterie în univers.
Antrenament DeepCore
Care este: normal sau inversat? Aceasta este una dintre cele mai mari întrebări care apar din ultimele două decenii de cercetare cu neutrini și este exact genul de întrebare la care masivul Observator IceCube Neutrino a fost proiectat să răspundă. Situat la Polul Sud, observatorul este format din zeci de șiruri de detectoare scufundate în stratul de gheață din Antarctica, cu un „DeepCore” central de opt șiruri de detectoare mai eficiente capabile să vadă interacțiuni cu energie mai mică.
Neutrinii abia vorbesc cu materie normală, așa că sunt perfect capabili să se apropie direct de corpul Pământului. Și pe măsură ce fac acest lucru, se vor transforma în diferite arome. Din când în când, rareori, vor lovi o moleculă în foaia de gheață antarctică de lângă detectorul IceCube, declanșând un duș în cascadă de particule care emit o lumină surprinzător de albastră numită radiație Cherenkov. Și această lumină detectează șirurile IceCube.
Într-o lucrare recentă publicată pe jurnalul pre-tipar arXiv, oamenii de știință IceCube au folosit trei ani de date DeepCore pentru a măsura câte dintre fiecare tip de neutrin au trecut pe Pământ. Progresul este lent, desigur, deoarece neutrinii sunt atât de greu de prins. Dar în această lucrare. oamenii de știință raportează o ușoară preferință în ceea ce privește datele pentru comandarea normală (ceea ce ar însemna că am ghicit chiar acum câteva decenii). Cu toate acestea, nu au găsit încă nimic prea concludent.
Este tot ce vom primi? Cu siguranta nu. IceCube se pregătește pentru o actualizare majoră în curând și noi experimente precum Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) și Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) se pregătesc pentru a rezolva și această întrebare centrală. Cine știa că o întrebare atât de simplă cu privire la ordonarea maselor de neutrino va dezvălui o mare parte din modul în care funcționează universul? Este prea rău, de asemenea, nu este o întrebare ușoară.
Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda "Întrebați un Spaceman" și "Radio spațială, "și autorul"Locul tău în Univers."
