— Published on 20/06/2018 / Bug.hr.
Nedavno objavljeni rezultati eksperimenata s neutrinima upućuju na postojanje sterilnih neutrina, četvrte neutrinske vrste koja je još neobičnija od prve tri
Polazište prirodnih znanosti, u prvom redu fizike, jest materijalizam. Ali ne materijalizam u smislu traženja materijalnih zadovoljstava i stjecanja imovinske koristi, nego materijalizam u filozofskom smislu. To znači da metafizičke pretpostavke prirodnih znanosti uključuju, između ostalog, ideju da je materija temeljna, objektivno postojeća i realno spoznatljiva. A sve ostalo – u konačnici: um, svijest pa i duhovni život čovjeka – proizlazi iz materije.
Demokrit, najdosljedniji zastupnik materijalizma u antičkoj filozofiji, smatrao je da se svijet sastoji od atoma i praznog prostora. Atome je zamišljao kao najsitnije čestice koje su same nepromjenljive i neuništive, ali se mogu uvijek iznova preslagivati te formirati velika i nestalna tijela: ljude, nosoroge ili zvijezde. Naravno, bilo je među Demokritovim idejama onih koje danas prepoznajemo kao smiješne i potpuno promašene, ali ideja atoma je u osnovnim crtama ispravna.
Ono što danas nazivamo atomima nije nedjeljivo (grčki atomos znači nedjeljiv). No, ideja elementarnosti je ostala, samo je pomaknuta na drugu razinu. Atom nije elementarna čestica, ni njegova jezgra (nukleus) to nije, čak ni sastojci jezgre (nukleoni) nisu elementarne čestice. Ali su zato kvarkovi, sastavnice nukleona, elementarni, što znači da oni sami nemaju sastavnih dijelova. Elementarna je još jedna skupina čestica: leptoni, od kojih je najpoznatiji elektron, a kojima pripada i neutrino.
Kvarkovi i leptoni, zajedno s baždarnim bozonima kao što je foton i sa skalarnim bozonima kao što je Higgs, osnovni su sastojci standardnog modela elementarnih čestica. Taj model nije konačan niti potpun, ali je najbolji opis materije na fundamentalnoj razini koji zasad imamo. Baš kao i svaki model u fizici, podložan je neprekidnim propitivanjima i dopunjavanjima. Uostalom, posao fizičara nije da čuvaju tradiciju, nego – baš suprotno – da mijenjaju uvriježene spoznaje u svjetlu novih činjenica. Zato fizičare raduje svaki nagovještaj pukotine u monumentalnom zdanju svake velike teorije.
.
Neutrino
Spomenuti leptoni su, osim elektrona, još mion i taon. Elektron je stabilna čestica, a mion i taon su, recimo to tako, varijante elektrona koje su po svemu poput elektrona osim što su masivnije i nestabilne. Svaka od tri varijante elektrona ima svoj neutrino – neutralnu česticu male mase koja izuzetno slabo međudjeluje s ostalom materijom. Postoji dakle, elektronski neutrino, mionski neutrino i taonski neutrino. Zapravo bi poštenije bilo reći da smo zasad pouzdanim eksperimentima potvrdili postojanje triju neutrinskih vrsta. I ne znamo odgovoriti na pitanje zašto postoje baš tri vrste, a ne četiri ili više. Pošteno bi bilo reći i to da neke teorijske ideje uvode i četvrtu vrstu neutrina. No, ta četvrta vrsta je zasad samo hipotetska čestica.
Međutim i elektronski neutrino je svojedobno bio samo hipotetska čestica. Wolfgang Pauli je predložio postojanje te čestice još 1930. godine kako bi objasnio problem koji je tada bio poznat kao energijska kriza u nuklearnoj fizici. Naime, bilo je opaženo da u nekim nuklearnim reakcijama nedostaje dio energije. Pauli je shvatio da tu energiju odnosi dotad nepoznata čestica. Štoviše, Pauli je predvidio kakva bi svojstva ta čestica morala imati. Trebalo je četvrt stoljeća usavršavanja eksperimenata da se neutrino napokon otkrije. Clyde Cowan i Frederick Reines detektirali su elektronski neutrino (zapravo antineutrino, no to je za ovu priču nevažno) 1956. godine. A za to otkriće Reines je dobio Nobelovu nagradu tek 1995. godine. Cowan ju nije mogao dobiti jer je još 1974. umro.
.
Neutrinske oscilacije
Moglo bi se, dakle, reći da je znanstveni svijet formalno prihvatio elektronski neutrino tek 1995. godine. Tada sam bio slušao kolegij Fizika elementarnih čestica na zagrebačkom PMF-u i učio da je neutrino čestica bez mase, poput fotona. Kad sam tri godine kasnije istoimeni kolegij pohađao na poslijediplomskom studiju već je bilo pouzdano utvrđeno da neutrino ima masu. Masa neutrina povezana je s neutrinskim oscilacijama – fenomenom zbog kojega jedna vrsta neutrina prelazi u drugu vrstu. Naime, 1962. je bio otkriven i mionski neutrino. Oscilacije su se, dakle, odnosile na prijelaze između elektronskog i mionskog neutrina.
Tauonski neutrino bio je otkriven 2000. godine. I ta treća vrsta (fizičari radije kažu okus ili generacija) neutrina može sudjelovati u oscilacijama. Postojanje oscilacija pouzdano je potvrđeno 2001. godine, a otkriće nagrađeno 2015. o čemu sam za Bug pisao u tekstu Nobelova nagrada za otkriće neutrinskih oscilacija.
Živimo, dakle, dobrim dijelom u doba otkrića o neutrinima. Situacija se mijenja iz dana u dan. Novi eksperimentalni rezultati neprekidno potvrđuju ili obaraju teorijske ideje i otvaraju putove novim spoznajama. Trenutačno smo na pragu moguće potvrde četvrte vrste neutrina – sterilnog neutrina. Sterilni neutrino je zasad samo hipoteza. Bio je predložen je s dobrim teorijskim argumentima, a nedavno iskorišten kao moguće objašnjenje čudnih rezultata preciznih mjerenja neutrinskih oscilacija.
.
Eksperiment MiniBooNE – pojačivač neutrina
Neutrine je izuzetno teško detektirati. Ali ne zato što su rijetki. Zapravo ih ima nezamislivo puno. Svake sekunde kroz naše tijelo prođe 100 bilijuna (ili 1014) neutrina, a da praktički nijedan od njih nikada ne interagira s česticama našega tijela. Neutrino s lakoćom prolazi kroz cijelu Zemlju bez da interagira. Za neutrine je cijeli svemir gotovo proziran. No, ipak ne sasvim proziran. Postoji mala vjerojatnost da neutrino pri prolasku kroz materiju ipak zaglavi odnosno da potakne interakciju.
Ta mala vjerojatnost razlog je zbog kojeg je neutrine teško detektirati. No, fizičari su smislili lukave načine kako da neutrine uhvate. Osnovna je ideja koristiti veliku količinu materijala kojom se kompenzira mala vjerojatnost. Taj materijal mora biti dobro izoliran od okoline u smislu da su onemogućene one inerakcije koje bi mogle dati signal kakav daje rijetka interakcija neutrina s materijom. I konačno, neutrino se ne detektira izravno. Detektiraju se čestice produkti međudjelovanja neutrina s materijom. Primjerice elektronski neutrino s u interakciji s nukleonom neke atomske jezgre stvara elektron, a elektron je nabijena čestica koju je lako izravno ili neizravno detektirati.
Eksperiment MiniBooNE koristi 800 tona posebno čistog mineralnog ulja (to je otprilike 40 cisterni) koje je od okoline izolirano tako da elektron ili mion koji nastane unutar detektorskog materijala potječe iz neutrinske interakcije s nekim nukleonom. Proizvedeni elektron ili mion ima dovoljno veliku energiju da mu je brzina veća od brzine svjetlosti u ulju. Zato pri prolasku kroz ulje stvara Čerenkovljevu svjetlost koja se pak opaža s 1520 detektora postavljenih po unutrašnjoj plohi sfere promjera 12 metara.
BooNE je akronim od Booster Neutrino Experiment što znači eksperiment pojačivač neutrina. Umjesto da koristi neutrine koji postoje kao naše prirodno okruženje, MiniBooNE sam proizvodi neutrinski snop puno intenzivniji od prirodnog toka neutrina. Na taj je način učinak pojačan što znači da je broj neutrinskih interakcija u jedinici vremena značajno povećan. Konkretno, eksperiment je dizajniran tako da detektira u prosjeku jedan neutrino svakih 20 sekundi.
Iz podataka koje je MiniBooNE dosad prikupio pouzdano se može utvrditi da je omjer oscilacija veći od očekivanog. Razlika se može objasniti postojanjem sterilnih neutrina. Epitet sterilni ti su neutrini dobili zbog toga što ne međudjeluju čak ni slabom interakcijom, nego samo gravitacijski (što je za elementarne čestice potpuno nevažno). Jedini način da se sterilni neutrini opaze – ako uopće postoje – jest da se opazi njihov doprinos u neutrinskim oscilacijama. I tu leži eventualno objašnjenje čudne vrijednosti omjera koju MiniBooNE dobiva. U neutrinskim oscilacijama sudjeluju i sterilni neutrini, odnosno transformacije ne uključuju samo tri poznate vrste neutrina nego i četvrtu. Mjerenja se nastavljaju i uskoro se očekuju nove potvrde ili pak opovrgavanje takvih interpretacija. Ali to ni približno nije sve što se trenutačno događa u fizici neutrina. Velike novosti izgleda stižu s drugog fronta, onoga kozmičkog.
.
U očekivanju objave velikog otkrića
Prema onome što se zasad govori samo u kuloarima, uskoro se očekuje velika medijska objava o važnom otkriću iz područja detekcije astrofizičkih neutrina. Bugovi će čitatelji o tome biti informirani među prvima. Zasad samo toliko. Čitamo se.