– Zrobiłem straszną rzecz: zaproponowałem istnienie cząstki, której nie da się wykryć – miał powiedzieć Wolfgang Pauli w 1930 r. W ten sposób genialny fizyk skomentował jeden ze swoich najlepszych pomysłów naukowych. Była nim koncepcja cząstek nazwanych neutrinami: pozbawionych ładunku elektrycznego i nieoddziałujących z materią.
Na szczęście Pauli się pomylił. Neutrina da się wykryć, choć nie jest to prostą sprawą. Służą do tego detektory budowane w odległych, ściśle odizolowanych od otoczenia miejscach. Jednym z nich jest IceCube – ośrodek naukowy działający na biegunie południowym.
IceCube z powodzeniem rejestruje neutrina od 2013 r. (w innych detektorach rejestrowano je znacznie wcześniej). Jednak w przypadku neutrin – i wielu innych cząstek – diabeł tkwi w szczegółach. Zbudowane przez nas detektory wykrywają najpospolitszy rodzaj neutrin: neutrina elektronowe.
A przynajmniej tak było do tej pory. Naukowcy korzystający z IceCube ogłosili właśnie, że najprawdopodobniej udało im się znaleźć siedmiu kandydatów na nieuchwytne neutrino taonowe.
Co to jest neutrino?
Neutrina pochodzą z różnych źródeł: z dysków galaktycznych, z gwiazd, z blazarów oraz z atmosfery ziemskiej. W atmosferze pojawiają się, gdy promieniowanie kosmiczne zderza się z cząsteczkami atmosfery.
Jest ich mnóstwo. W każdej sekundzie przez nasze ciało przelatuje 100 bilionów neutrin. Także co sekundę przez centymetr kwadratowy Ziemi przenika 60 mld neutrin. Ani nam, ani Ziemi nie wyrządza to żadnej szkody. Co prawda wbrew pierwotnym założeniom neutrina mają masę, jednak jest ona bardzo mała. Najczęściej cząstki te nie oddziałują więc z materią.
A jeśli już do tego dochodzi, dzieje się to „od wielkiego dzwonu”. Gdyby każdy z nas był detektorem neutrin wielkości człowieka, musielibyśmy czekać 100 lat, żeby zarejestrować jedno neutrino. Z tego powodu neutrina zyskały przydomek cząstek-duchów (ang. ghost particle).
Jak się rejestruje neutrina?
Detektor IceCube składa się z ponad 5 tysięcy tzw. DOM-ów (ang. digital optical module). To czujniki światła umieszczone w otworach wydrążonych w lodzie. Gdy raz na jakiś czas neutrina uderzają w cząsteczki zamarzniętej wody, pojawiają się rozbłyski wychwytywane przez DOM-y. Rozbłyski te układają się w specyficzne wzory albo kaskady. Badając je, można dowiedzieć się więcej o wywołujących je neutrinach.
Istnieją trzy rodzaje neutrin, fachowo nazywane zapachami (choć nie ma to nic wspólnego z zapachami różnych substancji). Poza neutrinami elektronowymi, fizycy wyróżniają też neutrina mionowe i neutrina taonowe. Naukowców szczególnie interesują wysokoenergetyczne neutrina pochodzące z dalekiego kosmosu, najtrudniejsze do wykrycia.
Zespół prof. Douga Cowena z Penn State University ogłosił właśnie, że znaleziono siedmiu kandydatów na „astrofizyczne” neutrina taonowe. Czyli najrzadszy rodzaj neutrin, na dodatek powstałych w najdalszych rejonach Drogi Mlecznej. Wymagało to przeanalizowania danych zbieranych przez IceCube między 2011 a 2020 r. Naukowców posłużyli się specjalnie zaprojektowaną siecią neuronową. Przeczesywała ona obrazy rejestrowane przez IceCube, mogące świadczyć o pojawieniu się w detektorze neutrin taonowych.
W poszukiwaniu nowej fizyki
Zdaniem badaczy, wykrycie neutron taonowych pozwoli im badać zjawisko nazywane oscylacją neutrin. Tak nazywa się szczególną zdolność tych cząstek do zmiany swojej formy w czasie podróży przez kosmos. Lecąc przez przestrzeń kosmiczną, neutrina elektronowe mogą zamieniać się w mionowe albo taonowe. Koncepcja ta wyjaśniała, dlaczego na Ziemi rejestruje się mniej neutrin, niż według obliczeń powinno napływać do nas z przestrzeni kosmicznej. Ponieważ wykrywamy wyłącznie neutrina elektronowe, reszta nam umyka.
Oczywiście naukowcy mają apetyt na jeszcze więcej. – To ekscytujące dokonanie wiąże się z intrygującą możliwością wykorzystania neutrin taonowych do odkrycia nowej fizyki – komentuje Doug Cowen. Pościg na neutrinami taonowymi został opisany w pracy przyjętej do publikacji w czasopiśmie „Physical Review Letters”. Na razie została ona umieszczona w serwisie preprintów naukowcych arXiv.org.
