Chiński detektor coraz bliżej rozwiązania zagadki neutrin. Pomogło wyjątkowo precyzyjne urządzenie

Neutrina to jedne z najdziwniejszych obiektów we Wszechświecie. Każdy centymetr sześcienny przestrzeni zawiera około 112 neutrin każdego rodzaju, czyli ponad 300 łącznie, co czyni je drugimi pod względem liczebności cząstkami w kosmosie po fotonach mikrofalowego promieniowania tła – tych jest 411 na cm³. Dla porównania, elektronów czy protonów, które przetrwały anihilację materii i antymaterii, jest około miliarda razy mniej.

Rozpaczliwy środek zaradczy

Istnienie neutrin zaproponował w 1930 roku Wolfgang Pauli. Chciał w ten sposób wytłumaczyć „brakującą” energię w procesie zwanym rozpadem beta. Sam nazwał to „rozpaczliwym środkiem zaradczym”, bo cząstka wydawała się niemożliwa do wykrycia. Do pierwszej detekcji tego „środka zaradczego” doszło w 1956 r. Dokonali jej Clyde Cowan i Frederick Reines. Wykryli antyneutrino elektronowe w eksperymencie przy reaktorze jądrowym (Cowan-Reines neutrino experiment). Reines otrzymał za to Nobla dopiero w 1995.

Neutrina są praktycznie pozbawione masy, nie mają ładunku elektrycznego i oddziałują z materią tak rzadko, że przez nasze ciała co sekundę przelatują biliony tych cząstek, nie zostawiając żadnego śladu. Przez długi czas sądzono nawet, że w ogóle nie mają masy – standardowy model fizyki cząstek nie przewiduje dla nich żadnej.

Problem w tym, że neutrina mają masę – tylko ekstremalnie małą. I tu zaczyna się zagadka, którą od ćwierć wieku próbują rozwiązać fizycy na całym świecie.

Trzy smaki neutrin

Zacznijmy od tego, że neutrina występują w trzech „zapachach” (ang. flavours) – elektronowym, mionowym i taonowym. Żaden zapach nie ma jednej, określonej masy. Każdy jest kwantową mieszanką trzech różnych „stanów masy”, które ewoluują z różną prędkością. Sprawia to, że neutrino w locie zmienia zapach: elektronowe neutrino powstałe w Słońcu może po drodze stać się mionowym, a potem znów elektronowym.

Fizycy wiedzą już, że spośród trzech możliwych mas dwie muszą być sobie bardzo bliskie, a trzecia wyraźnie od nich odstaje. Nie wiadomo jednak, czy ta „inna” masa jest największą, czy może najmniejszą z trzech. Ta hierarchia mas określana jest przez naukowców jednym z kluczy do zrozumienia, dlaczego neutrina w ogóle mają masę, a także do wyjaśnienia mechanizmów wybuchów supernowych czy ewolucji całego Wszechświata.

Chiński detektor neutrin

Detektor JUNO – Jiangmen Underground Neutrino Observatory w prowincji Guangdong – powstał, aby odpowiedzieć na to pytanie. Sercem eksperymentu jest akrylowa kula o średnicy 35 metrów wypełniona 20 tysiącami ton tzw. cieczy scyntylacyjnej. Kulę otaczają 43 tysiące fotopowielaczy – urządzeń tak czułych, że zespół musiał zbudować własną fabrykę, by je produkować, bo żadne dostępne na rynku nie spełniały wymagań.

Detektor wychwytuje antyneutrina elektronowe emitowane przez osiem reaktorów jądrowych oddalonych o 53 kilometry. Gdy taka cząstka uderzy w proton w cieczy, powstaje pozyton (antyelektron), który przelatuje około 10 centymetrów, emitując błysk światła. Jego energia zdradza energię neutrina, z którego powstał.

To właśnie kształt widma energii niesie informację o hierarchii mas. Neutrina opuszczające reaktor mają widmo z szerokim szczytem przy energii około 3 megaelektronowoltów. Po drodze do JUNO oscylacje między dwoma bliskimi sobie stanami masy spłaszczają ten szczyt. Na to nakładają się drobne, gęsto upakowane „zmarszczki” – ich kierunek przesunięcia zależy właśnie od tego, czy trzecia masa jest tą większą, czy mniejszą.

To już tylko kwestia czasu

W ciągu zaledwie 59 dni zbierania danych zespół JUNO zmniejszył niepewność dwóch kluczowych parametrów oscylacji o jedną trzecią – osiągając lepszy wynik niż wcześniejsze eksperymenty działające przez dekady. Co więcej, poszukiwane zmarszczki w widmie są już – jak mówi fizyczka Patricia Vahle z College of William & Mary – wyraźnie widoczne.

– Osiągnięcie takiej precyzji już po dwóch miesiącach działania pokazuje, że JUNO działa dokładnie tak, jak go zaprojektowano. Z tym poziomem dokładności JUNO wkrótce ustali porządek mas neutrin, przetestuje schemat oscylacji trzech zapachów i będzie szukać śladów nowej fizyki wykraczającej poza ten schemat – skomentował Wang Yifang, inicjator i rzecznik projektu z Instytutu Fizyki Wysokich Energii w Pekinie.

Droga do ostatecznej odpowiedzi może być jeszcze długa, ale jak mówi teoretyk Patrick Huber z Virginia Tech: „to teraz tylko kwestia czasu i zbierania danych”.

Źródło: Nature

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.