Neutrína sú možno najviac záhadou známych častíc. Jednoducho plávajú všetky známe pravidlá o tom, ako by sa častice mali správať. Posmievajú sa našim detektívom. Rovnako ako kozmické mačky aj oni strašia po celom vesmíre bez obáv a starostlivosti, príležitostne interagujú s ostatnými z nás, ale naozaj iba vtedy, keď sa cítia ako to, čo úprimne nie je tak často.
Najviac frustrujúce zo všetkých, nosia masky a nikdy nevyzerajú rovnako dvakrát.
Nový experiment nás však mohol posunúť o krok bližšie k vytrhnutiu týchto masiek. Odhalenie skutočnej neutrínovej identity by mohlo pomôcť odpovedať na dlhotrvajúce otázky, napríklad či sú neutrína ich vlastnými antihmotnými partnermi, a dokonca by to mohlo pomôcť zjednotiť prírodné sily do jednej súdržnej teórie.
Obrovský problém
Neutrína sú divné. Existujú tri druhy: elektrónové neutrino, miónové neutrino a tau neutrino. (Existujú aj antičasticové verzie týchto troch, ale to nie je veľká časť tohto príbehu.) Sú pomenované, pretože tieto tri druhy sa stretávajú s tromi rôznymi druhmi častíc. Elektrónové neutrína spájajú interakcie elektrónov. Neónové neutrína sa spárujú s miónmi. Za uhádnutie toho, s čím tau neutrino interaguje, nebudú udelené žiadne body.
Zatiaľ to nie je vôbec divné. Tu prichádza zvláštna časť.
Pre častice, ktoré sú nie neutrína - ako elektróny, mióny a častice tau - to, čo vidíte, je to, čo dostanete. Tieto častice sú všetky rovnaké, s výnimkou ich hmotností. Ak si všimnete časticu s hmotnosťou elektrónu, bude sa správať presne ako elektrón, ktorý by sa mal správať, a to isté platí pre mión a tau. Akonáhle si všimnete elektrón, bude to vždy elektrón. Nič viac, nič menej. To isté platí pre mión a tau.
To isté sa však netýka ich bratrancov, neutrína elektrónov, miónov a tau.
To, čo nazývame, povedzme, „tau neutrino“ nie je vždy tau neutrino. Môže zmeniť svoju identitu. Môže sa stať, stredným letom, elektrónovým alebo miónovým neutrínom.
Tento divný jav, ktorý v podstate nikto neočakával, sa nazýva neutrínová oscilácia. To okrem iného znamená, že si môžete vytvoriť elektrónové neutrino a poslať ho ako darček svojmu najlepšiemu priateľovi. Ale v čase, keď to pochopia, môžu byť sklamaní, že namiesto toho nájdu neutrálne tau.
Teeter-potácať
Z technických dôvodov funguje oscilácia neutrín iba vtedy, ak existujú tri neutrína s tromi rôznymi hmotami. Neutrína, ktoré oscilujú, však nie sú neutrína s elektrónovou, muónovou alebo taulovou príchuťou.
Namiesto toho existujú tri „skutočné“ neutrína, z ktorých každá má inú, ale neznámu masu. Výrazná zmes týchto skutočných základných neutrín vytvára každú z neutrínových príchutí, ktoré sme zistili v našich laboratóriách (elektrón, mión, tau). Laboratórne meraná hmota je teda zmesou tých pravých neutrínových hmôt. Medzitým hmotnosť každého pravého neutrína v zmesi určuje, ako často sa premení na každú z rôznych príchutí.
Úlohou fyzikov je odteraz oddeliť všetky vzťahy: Aké sú masy tých pravých neutrín a ako sa zmiešajú, aby vytvorili tri príchute?
Fyzici sa teda snažia odhaliť masy „pravých“ neutrín tým, že sa pozrú, kedy a ako často menia chute. Fyzikálny žargón je opäť veľmi nápomocný pri vysvetľovaní tohto stavu, pretože názvy týchto troch neutrín sú jednoducho m1, m2 a m3.
Rôzne experimenty usilovné vedci prinajmenšom nepriamo naučili vedcov niektoré veci o masách pravých neutrín. Napríklad vieme o niektorých vzťahoch medzi štvorcom mas. Ale nevieme presne, koľko vážia skutočné neutrína, a nevieme, ktoré sú ťažšie.
Môže to byť tak, že m3 je najťažší, ďaleko prevažujúci m2 a m1. Toto sa nazýva „normálne usporiadanie“, pretože sa zdá byť celkom normálne - a to je objednávajúci fyzici, ktorí sa v podstate hádali pred desiatkami rokov. Ale na základe nášho súčasného stavu vedomostí by sa tiež mohlo stať, že m2 je najťažšie neutrino, pričom m1 nie je ďaleko za sebou a m3 puny v porovnaní. Tento scenár sa nazýva „obrátené zoradenie“, pretože to znamená, že sme pôvodne uhádli nesprávne poradie.
Samozrejme, pre každý z týchto scenárov sú pravdivé tábory teoretikov. Teórie, ktoré sa snažia zjednotiť všetky (alebo aspoň väčšinu) prírodných síl pod jednou strechou, obyčajne vyžadujú normálne usporiadanie neutrínových hmôt. Na druhej strane je nevyhnutné, aby bolo neutríno vlastným dvojčiatom antičastica. A ak by to bola pravda, mohlo by to pomôcť vysvetliť, prečo je vo vesmíre viac hmoty ako antihmota.
Cvičenie DeepCore
Čo je to: normálne alebo obrátené? To je jedna z najväčších otázok, ktorá sa má objaviť v posledných desaťročiach neutrínového výskumu. Je to presne ten druh otázky, na ktorý bolo navrhnuté masívne observatórium IceCube Neutrino. Nachádza sa na južnom póle, observatórium sa skladá z desiatok reťazcov detektorov zapustených do antarktickej ľadovej pokrývky, s centrálnym „DeepCore“ 8 reťazcov účinnejších detektorov schopných vidieť interakcie s nižšou energiou.
Neutrína sotva rozprávajú s normálnou hmotou, takže sú dokonale schopné prúdiť priamo cez telo Zeme. A keď to urobia, premenia rôzne príchute. V zriedkavých prípadoch narazia na antarktickú ľadovú pokrývku blízko detektora IceCube molekulu a spustia kaskádovú sprchu častíc, ktoré emitujú prekvapivo modré svetlo zvané Cherenkovovo žiarenie. Je to svetlo, ktoré struny IceCube detekujú.
V nedávnom článku uverejnenom v predtlačovom časopise arXiv vedci IceCube použili tri roky údajov DeepCore na meranie toho, koľko z každého druhu neutrína prešlo Zemou. Pokrok je, samozrejme, pomalý, pretože neutrína sa tak ťažko chytia. Ale v tejto práci. vedci uvádzajú mierne preferencie v údajoch pre normálne usporiadanie (čo by znamenalo, že sme to uhádli práve pred desiatkami rokov). Zatiaľ však nenašli nič presvedčivé.
Je to všetko, čo dostaneme? Rozhodne nie. IceCube sa pripravuje na významnú aktualizáciu čoskoro a pripravujú sa aj nové experimenty, ako je presná aktualizácia IceCube novej generácie (PINGU) a experiment hlbokého podzemného neutrínu (DUNE), ktoré sa zaoberajú aj touto ústrednou otázkou. Kto vedel, že tak jednoduchá otázka o usporiadaní neutrínových hmôt odhalí toľko toho, ako vesmír funguje? Je to príliš zlé, tiež to nie je ľahká otázka.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Štátna univerzita v Ohiu, hostiteľ „Spýtajte sa Spaceman" a „Vesmírne rádio, „a autor“Vaše miesto vo vesmíre."
