— Published on 01/12/2009 / Čovjek i svemir 3 (2009. – 2010.).
Nova vrsta kozmičkih glasnika, astrofizički neutrini, astročestice su od kojih se mnogo očekuje. Ti prenositelji informacija iz dalekih kozmičkih objekata imuni su na sve prepreke koje postoje za druge vrste kozmičkih glasnika. Kozmičke zrake, primjerice, skreću u galaktičkim i izvangalaktičkim magnetskim poljima pa tako ne donose informaciju o položaju izvora. One se, kao i gama-zrake, apsorbiraju u međuzvjezdanoj tvari. Također, i kozmičke zrake i gama-zrake raspršuju se na kozmičkom pozadinskim zračenju. Astrofizički neutrini su neutralni i međudjeluju iznimno slabo pa su stoga savršeni prenositelji informacija iz takozvanih kozmičkih akceleratora – mjesta na kojima se zbivaju najdramatičniji procesi u svemiru. Lov na visokoenergijske astrofizičke neutrine tek je počeo. U godinama koje dolaze neutrinska bi astronomija trebala donijeti obilje novih činjenica o našem fascinantnom svemiru.
Što je neutrino?
Neutrino je elementarna čestica koju je 1930. godine predložio Wolfgang Pauli, austrijski teorijski fizičar i jedan od osnivača kvantne mehanike. Paulijev prijedlog bio je motiviran takozvanom energijskom krizom u nuklearnoj fizici toga doba (u nekim nuklearnim reakcijama energija je “nestajala” na nepoznati način). Trebalo je 35 godina eksperimentalnih istraživanja da se neutrino napokon otkrije. Clyde Cowan i Frederick Reines detektirali su i identificirali neutrino 1965. godine. Za otkriće neutrina Reines je dobio Nobelovu nagradu tek 1995. godine.
Neutrino je vrlo neobična čestica bez električnog naboja koja međudjeluje s tvari iznimno slabo. Do nedavno se smatralo da je neutrino bezmasena čestica poput fotona, čestice svjetlosti. Tek je 1998. godine pouzdano utvrđeno da neutrino ima masu, premda vrlo malu. Masa neutrina povezana je s takozvanim neutrinskim oscilacijama – pojavom pri kojoj jedna vrsta neutrina prelazi u drugu vrstu. Postoje ukupno tri vrste neutrina: elektronski, mionski i tau-neutrino. Elektronski neutrino ima najmannju masu, a tau-neutrino najveću.
Ogroman broj neutrina stvara se neprekidno u fuzijskim reakcijama u Suncu. Zbog fuzije vodika u helij, na Zemlju sa Sunca svake sekunde po kvadratnom centimetru padne 6·1010 neutrina. Taj broj približno odgovara broju zvijezda u galaksiji ili broju galaksija u svemiru. Može se izračunati da svake sekunde kroz naše tijelo prođe više od 1012 (milijun milijuna) neutrina. Unatoč tako velikom broju, samo jedan neutrino tijekom cijelog našeg života ima šansu zaustaviti se u tijelu. Većina neutrina prolazi kroz nas kao da nas nema. Štoviše, većina neutrina prolazi kroz cijelu Zemlju kao da je nema.
Mogli bismo reći da nas neutrini potpuno ignoriraju. Ta fascinantna činjenica inspirirala je (ili ogorčila!?), još davne 1963. godine, velikog američkog književnika Johna Updikea (1932. – 2009.). Updike je napisao pjesmu o neutrinima koja je danas vrlo poznata i rado spominjana među fizičarima (naravno, onima koji se neutrinima bave). S obzirom da dobar hrvatski prepjev zasad ne postoji (ili ja ne znam za njega) dajem ovdje svoj prijevod usporedno s engleskim izvornikom. U sjajnoj Kakuovoj knjizi Hiperprostor (Algoritam, 2006) možete naći prijevod koji je možda pjesnički bolji, no potpuno promašuje smisao.
KOZMIČKA JADIKOVKA
Neutrini, oni mali su tako.
Nemaju ni naboja ni mase
I međudjeluju nikako.
Za njih Zemlja je lopta glupa
Kroz koju jednostavno prolaze,
Kao čistač koji kroz hodnik stupa
Ili fotoni što kroz staklo plaze.
Oni preziru plin najbajniji,
Ignoriraju najtvrđi zid,
Hladni čelik i mjed najsjajniji,
Pastuha u staji nije ih stid.
Klasne razlike ništa im ne znače,
I u Vas i u mene se uvlače!
Kao giljotina prolaze nam kroz glavu
I padaju ravno dolje u travu.
Noću, kod Nepala ulaze
I probadaju ljubavnike mrsko
Ispod kreveta idu im staze
Vama je to divno;
meni je to drsko.
COSMIC GALL
Neutrinos, they are very small.
They have no charge and have no mass
And do not interact at all.
The earth is just a silly ball
To them, through which they simply pass,
Like dustmaids down a drafty hall
Or photons through a sheet of glass.
They snub the most exquisite gas,
Ignore the most substantial wall,
Cold-shoulder steel and sounding brass,
Insult the stallion in his stall,
And, scorning barriers of class,
Infiltrate you and me! Like tall
And painless guillotines, they fall
Down through our heads into the grass.
At night, they enter at Nepal
And pierce the lover and his lass
From underneath the bed - you call
It wonderful; I call it crass.
Izvori astrofizičkih neutrina
Do sada su pouzdano opažena samo dva izvora astrofizičkih neutrina: Sunce i supernova SN1987. Neutrini koji dolaze sa Sunca praćeni su na Zemlji dugi niz godina velikim japanskim detektorom Kamiokande. Opažan je, u prosjeku, jedan neutrino svaka dva dana tijekom 25 godina. Ukupno je uhvaćeno oko 2200 neutrina. Za ove pionirske doprinose astrofizici, a posebno za detekciju kozmičkih neutrina Nobelovu nagradu dobili su, 2002. godine, Raymond Davis mlađi i Masatoshi Koshiba.
Za razliku od pomno planirane i dugotrajne detekcije neutrina sa Sunca, opažanje neutrina iz supernove SN1987 bilo je neočekivano i kratkotrajno. Godine 1987. mnogi teleskopi i detektori na Zemlji registrirali su eksploziju supernove koja je kasnije nazvana SN1987. Supernova je eksplodirala, 170 000 godina ranije, u Velikom Mageljanovom oblaku, satelitskoj galaksiji naše Mliječne staze. U samo 10 sekundi opaženo je 25 neutrina pomoću tri detektora: Kamiokande (Japan), Baksan (Rusija) and IMB (SAD).
Neutrini sa Sunca (ili, općenito, zvijezda poput Sunca) i neutrini iz eksplozija supernova nastaju u termonuklearnim reakcijama fuzije. To su niskoenergijski astrofizički neutrini tipičnih energija reda veličine MeV (milijun elektronvolta). Druga vrsta astrofizičkih neutrina su visokoenergijski neutrini čije su energije tipično od GeV do TeV (milijarda do bilijun elektronvolta). Oni nastaju pri sudarima visokoenergijskih čestica, a takvi se sudari događaju u blizini kozmičkih objekata koji su bitno različiti od običnih zvijezda.
Nastanak visokoenergijskih neutrina usko je povezan s nastankom kozmičkih zraka. Kozmičke zrake su nabijene visokoenergijske čestice koje dolaze iz svemira. Obično su to protoni (oko 90%) i jezgre helija (oko 10%) te manjim dijelom teže jezgre. Otkrio ih je, 1912. godine, Victor Hess. Kozmičke zrake nižih energija većinom su galaktičkog porijekla i vezane su, ponovo, uz eksplozije supernova. Kozmičke zrake najviših energija gotovo su sigurno izvangalaktičkog porijekla. Nekoliko je potencijalnih kandidata za njihove izvore: aktivne galaktičke jezgre i provale gama-zraka. To su ujedno i potencijalni kandidati za izvore visokoenergijskih neutrina.
Aktivne galaktičke jezgre (engl. active galaxy nuclei, AGN) su jezgre dalekih aktivnih galaksija. U njihovim središtima nalaze se ogromne crne rupe, milijardu puta masivnije od Sunca. Nazivamo ih supermasivnim crnim rupama. Crnu rupu svake aktivne galaktičke jezgre okružuje akrecijski disk – tvar u obliku diska koja kruži oko crne rupe. Tvar iz okolne galaksije preko akrecijskog diska dijelom pada u crnu rupu pri čemu nastaje jedan od najfascinantnijih fenomena astročestične fizike danas – ultrarelativistički mlaz (engl. jet). Svaka aktivna galaktička jezgra ima dva takva mlaza koji izlaze u suprotnim smjerovima okomito na ravninu akrecijskog diska. Mlazovi se tipično protežu na desetke tisuća svjetlosnih godina (što odgovara promjeru manje galaksije). Visokoenergijske gama-zrake nastaju u tim mlazovima, a vrlo vjerojatno i kozmičke zrake i visokoenergijski neutrini.
Druga moguća vrsta izvora astrofizičkih neutrina su provale gama-zraka (engl. gamma ray burst, GRB). Ti su čudni fenomeni otkriveni slučajno, 60-ih godina 20. stoljeća, i do nedavno su slovili kao najmisterioznije pojave astrofizike. Radi se o iznenadnim i kratkim pulsevima gama zraka koji se pojavljuju nasumično iz različitih područja neba. Trajanje tih pulseva je od djelića sekunde do par desetaka sekundi. Gama-sateliti opažaju jedan do dva takva događaja na dan. Upravo dok sam pisao ovaj odlomak stigla mi je mailom obavijest o novoj provali gama-zraka. Takve su dojave uobičajene u astročestičnoj zajednici jer su isti kozmički objekti često izvori i gama-zraka i kozmičkih zraka i astrofizičkih neutrina.
Detekcija astrofizičkih neutrina
Premda neutrini međudjeluju s tvari izuzetno slabo, ipak međudjeluju. Vjerojatnost pojedine interakcije neutrino-atom iznimno je mala. Međutim, tu je činenicu moguće kompenzirati ogromnim brojem neutrina i atoma koji su u igri. Što je veći tok neutrina (broj neutrina koji u jedinici vremena prolaze kroz jedinicu površine) i što je veća količina tvari kroz koju neutrini prolaze to je veća i učestalost opažanja neutrina.
Neutrino možemo opaziti samo posredno - pomoću drugih čestica koje nastanu međudjelovanjem neutrina i atoma. Zapravo, neutrino ne međudjeluje s atomom u cjelini nego samo s jednim kvarkom jednog nukleona u atomskoj jezgri. Moguće su dvije vrste takvih interakcija. U prvoj neutrino ostaje neutrino (fizičari tada govore o “neutralnoj struji”), a u drugoj se neutrino transformira u nabijenu česticu (to fizičari nazivaju “nabijenim strujama”).
Konkretno, elektronski neutrino stvara elektron, mionski neutrino mion, a tau-neutrino tau lepton. Za posrednu detekciju astrofizičkih neutrina daleko je najpogodnija interakcija u kojoj nastaje mion. Tau-lepton nastaje rijetko i živi vrlo kratko – ako uopće i nastane, brzo se raspadne u druge čestice. Kao druga krajnost, elektron nastaje najčešće i živi praktički vječno (ne raspada se uopće). Međutim, kratko nakon nastanka, elektron međudjeluje s drugim elektronima u tvari pa uspijeva proći tek nekoliko metara kroz tvar. Na kraju, mion ima pravu mjeru iz perspektive opažača astofizičkih neutrina. Nakon nastanka prolazi više kilometara kroz tvar, ovisno o energiji.
Dakle mionski neutrino visoke energije može, u tvari, stvoriti mion visoke energije. No, čak ni taj mion ne opažamo neposredno. Možemo ga opaziti posredno preko Čerenkovljevog zračenja koje u sredstvu (vodi ili ledu) stvara mion. To je ono isto Čerenkovljevo zračenje koje smo opisali u prošlom broju. Zemaljska gama-astronomija i neutrinska astronomija nemaju zajedničke samo objekte promatranja. Zajednička im je i bit detekcijske metode – posredna detekcija astročestica preko Čerenkovljevog zračenja koje u zemaljskom prozirnom mediju (zraku, vodi ili ledu) stvaraju visokoenergijske sekundarne čestice.
Neutrinska astronomija
Nabijena čestica, koja nastaje međudjelovanjem neutrina s tvari, giba se gotovo istim smjerom kojim se gibao izvorni neutrino. Primjerice, razlika u smjeru gibanja miona i neutrina manja je od jednog stupnja. Ta je činjenica ključna za postojanje neutrinske astronomije. Naime, da bi se nova vrsta opažanja neba mogla smatrati astronomijom mora imati svoje izvore. Ako se astročestice ne mogu povezati s izvorom nema izvora pa nema ni astronomije.
Na početku priče o detekciji neutrina rekli smo “što je veća količina tvari kroz koju neutrini prolaze to je veća i učestalost opažanja neutrina”. Ta količina tvari mora biti stvarno velika, reda veličine kubičnog kilometra (1 km × 1 km × 1 km). Drugi zahtjev na tvar koja čini detektor neutrina je transparentnost ili prozirnost sredstva. Neutrine detektiramo posredno preko Čerenkovljeve svjetlosti koju emitiraju mioni u sredstvu, a Čerenkovljeva se svjetlost širi samo kroz prozirno sredstvo. Dakle, detektorsko sredstvo mora biti ogromno i prozirno. S obzirom na ograničenje koje postavlja cijena detektora, nameće se prirodni izbor tvari kojih u obilju ima u prirodi: voda ili led.
Postoje velike količine čiste vode pri dnu dubokih jezera i mora te velike količine vrlo čistog leda ispod polarnih kapa. U vodu ili led se stavljaju veliki prostorni nizovi detektora koji čine neutrinski teleskop. Pojedinačne detektore neutrinskog teleskopa nazivamo optičkim modulima. To su neovisne jedinice koje mogu opaziti Čerenkovljevu svjetlost. Ovisno o tome koji su moduli detektirali koliko svjetlosti može se precizno izračunati smjer i energija miona odnosno pripadajućeg neutrina koji je stvorio taj mion.
Na velikoj dubini, od par kilometara, ispod površine vode ili polarnog leda, vlada potpuni mrak. To je još jedan razlog zašto se moduli neutrinskog teleskopa spuštaju vrlo duboko. Na taj su način eliminirani mnogi signali iz drugih izvora koji bi mogli ometati opažanja neutrina. Ipak, postoje događaji koje neutrinski teleskopi povremeno registriraju, a koji ne potječu iz promatranog kozmičkog objekta. Takvi su događaji, zvani šum ili pozadina, prisutni u svakom eksperimentu.
Glavni izvor šuma neutrinskih teleskopa su atmosferski neutrini. Kad kozmička zraka upadne u atmosferu stvori mnoštvo sekundarnih čestica od kojih se neke raspadaju tako da stvaraju mione. Mioni se pak raspadaju stvarajući mionske neutrine koji prolaze kroz cijelu zemaljsku kuglu (i dolaze do neutrinskog teleskopa s donje strane). Glavni problem neutrinske astronomije stoga je razlikovanje atmosferskih neutrina, koji su nastali u Zemljinoj atmosferi, od astrofizičkih neutrina, koji su nastali u dalekom kozmičkom izvoru. Problem nije jednostavan, no u grubim crtama osnovna je razlika u tome što astrofizički neutrini u prosjeku imaju više energije od atmosferskih.
Možda najzanimljivija činjenica vezana uz neutrinske teleskope, kao što su ANTARES i IceCube, je ta da oni ne gledaju kozmičke izvor koji su gore, iznad teleskopa, nego dolje, ispod teleskopa. Naravno, ispod teleskopa je cijela zemaljska kugla no to za neutrine nije smetnja. Štoviše, ako je čestica upala u teleskop s donje strane onda to može biti samo neutrino ili mion stvoren od neutrina.
I za kraj, teleskopi poput IceCubea i ANTARES-a svakodnevno opažaju neutrine. Većina njih su atmosferski neutrini (šum), a poneki astrofizički neutrini (signal). Broj opaženih astrofizičkih neutrina još je uvijek premali da bismo mogli pouzdano tvrditi da dolaze iz određenog izvora. Rekli smo, nema izvora nema astronomije. Ako strogo sudimo, neutrinska astronomija zapravo još nije rođena. Međutim, sigurno je na samom pragu rođenja.