Neutrinai yra bene labiausiai mįslingi iš žinomų dalelių. Jie tiesiog nesilaiko visų žinomų taisyklių, kaip dalelės turi elgtis. Jie šaiposi iš mūsų išgalvotų detektorių. Kaip ir kosminės katės, jos be vargo ar priežiūros traukiasi visoje visatoje, retkarčiais sąveikaudamos su likusiaisiais, bet iš tikrųjų tik tada, kai jaučiasi taip, o tai, sąžiningai, nėra taip dažnai.
Labiausiai nusivylę, jie dėvi kaukes ir niekada dvigubai neatrodo vienodai.
Bet galbūt naujas eksperimentas mus žengė tik žingsniu arčiau tų kaukių nuplėšimo. Tikrojo neutrino tapatumo atskleidimas galėtų padėti atsakyti į seniai iškylančius klausimus, pavyzdžiui, ar neutrinai yra jų pačių antimaterijos partneriai, ir tai netgi galėtų padėti suvienyti gamtos jėgas į vieną darnią teoriją.
Masinė problema
Neutrinai yra keistai. Yra trys rūšys: elektroninis neutrinas, muonas neutrinas ir tau neutrinas. (Taip pat yra tų trijų antidalelių versijų, bet tai nėra didelė šios istorijos dalis.) Jie taip pavadinti, nes šios trys rūšys vakariauja su trimis skirtingomis dalelėmis. Elektronų neutrinai jungiasi su elektronų sąveika. Muono neutrinai poruojasi su muonais. Už atspėjimą apie tai, ką sąveikauja su tau neutrinu, nebus skiriama taškų.
Kol kas tai nėra keista. Čia ateina keista dalis.
Dalelėms, kurios yra ne neutrinai - pavyzdžiui, elektronai, muonai ir tau dalelės - ką jūs matote, ką gausite. Tos dalelės yra visiškai vienodos, išskyrus jų mases. Jei pastebėsite dalelę su elektrono mase, ji elgsis tiksliai taip, kaip turėtų elgtis elektronas, ir tas pats pasakytina apie moną ir tau. Dar daugiau: pastebėjus elektroną, jis visada bus elektronas. Nieko daugiau, nieko mažiau. Tas pats ir muonui bei tau.
Tačiau tas pats pasakytina ne apie jų pusbrolius, elektronus, muonus ir tau neutrinus.
Tai, ką mes vadiname, tarkime, tau neutrino, ne visada yra tau neutrino. Tai gali pakeisti savo tapatybę. Skrydžio metu jis gali tapti elektronų ar muonų neutrinu.
Šis keistas reiškinys, kurio iš esmės niekas nesitikėjo, vadinamas neutrino virpesiais. Tai, be kita ko, reiškia, kad galite sukurti elektroną neutriną ir nusiųsti jį savo geriausiam draugui kaip dovaną. Bet kai jie tai gaus, jie gali nusivilti, jei vietoj jo suras tau neutriną.
Teteris-toteris
Dėl techninių priežasčių neutrino virpesiai veikia tik tuo atveju, jei yra trys neutrinai su trimis skirtingomis masėmis. O osciliuojančios neutrinos nėra elektronų, muonų ir tau kvapo neutrinos.
Vietoje to yra trys „tikrieji“ neutrinai, kurių kiekviena turi skirtingas, bet nežinomas mases. Išskirtinis šių tikrųjų, pagrindinių neutrinų derinys sukuria kiekvieną iš neutrinų skonių, kuriuos aptinkame savo laboratorijose (elektronų, muonų, tau). Taigi laboratorijoje išmatuota masė yra tam tikras tų tikrųjų neutrinų masių mišinys. Tuo tarpu kiekvieno tikrojo neutrino masė mišinyje lemia, kaip dažnai jis susimaišo su kiekvienu skirtingu skoniu.
Fizikų darbas dabar yra atskirti visus santykius: kokia yra tų tikrųjų neutrinų masė ir kaip jie susimaišo, kad būtų sukurti trys skoniai?
Taigi, fizikai medžioja norėdami atskleisti „tikrųjų“ neutrinų mases, žiūrėdami, kada ir kaip dažnai jie keičia skonius. Tai paaiškinti fizikos žargonu yra labai nenaudinga, nes šių trijų neutrinų pavadinimai yra paprasčiausiai m1, m2 ir m3.
Įvairūs kruopštūs eksperimentai mokslininkus išmokė kai kurių dalykų apie tikrų neutrinų mases bent jau netiesiogiai. Pavyzdžiui, mes žinome apie kai kuriuos ryšius tarp mišių kvadrato. Bet mes tiksliai nežinome, kiek sveria tikrasis neutrinas, ir nežinome, kurie iš jų yra sunkesni.
Gali būti, kad m3 yra sunkiausias, žymiai didesnis nei m2 ir m1. Tai vadinama „įprastu užsakymu“, nes atrodo gana normalu - ir tai užsakiusieji fizikai iš esmės atspėjo prieš dešimtmečius. Bet remiantis dabartinėmis žiniomis, taip pat gali būti, kad m2 yra sunkiausias neutrinas, m1 nėra labai atsilikęs, o m3 yra baisus, palyginti. Šis scenarijus vadinamas „apverstu užsakymu“, nes tai reiškia, kad iš pradžių atspėjome neteisingą užsakymą.
Žinoma, yra teoretikų stovyklų, kuriose kiekvienas iš šių scenarijų yra tikras. Teorijos, bandančios suvienyti visas (arba bent jau didžiąją dalį) gamtos jėgų po vienu stogu, paprastai reikalauja normalios neutrininės masės išdėstymo. Kita vertus, norint, kad neutrinas būtų jo paties dalelių dvynys, reikalinga atvirkštinė masės tvarka. Ir jei tai buvo tiesa, tai galėtų padėti paaiškinti, kodėl visatoje yra daugiau materijos nei antimedžiaga.
„DeepCore“ treniruotė
Kas tai: normalus ar apverstas? Tai yra vienas didžiausių klausimų, atsirandančių iš pastaruosius porą dešimtmečių atliktų neutrinų tyrimų, ir būtent toks yra klausimas, į kurį turėjo atsakyti didžiulė „IceCube Neutrino“ observatorija. Prie pietų ašigalio esančią observatoriją sudaro dešimtys detektorių, nugrimzdusių į Antarkties ledyną, centrinių „DeepCore“ aštuonių, efektyvesnių detektorių, galinčių pamatyti mažesnės energijos sąveiką.
Neutrinai vos nesusikalba su normalia materija, todėl jie puikiai sugeba skrieti tiesiai per patį Žemės kūną. Ir tai darydami jie įsisuks į įvairius skonius. Kartą per retą laiką jie trenks į molekulę Antarkties ledyne prie „IceCube“ detektoriaus, sukeldami kaskadinį dušą iš dalelių, skleidžiančių stebėtinai mėlyną šviesą, vadinamą Cherenkovo spinduliuote. „IceCube“ stygos aptinka šią šviesą.
Neseniai paskelbtame leidinyje, išspausdintame prieš ar atspausdintame žurnale „arXiv“, „IceCube“ mokslininkai panaudojo trejų metų „DeepCore“ duomenis, kad išmatuotų, kiek kiekvienos rūšies neutrinų praėjo per Žemę. Žinoma, progresas lėtas, nes neutrinus taip sunku pagauti. Bet šiame darbe. mokslininkai nurodo, kad duomenys yra labiau linkę į įprastą užsakymą (o tai reikštų, kad mes atspėjome prieš gerą dešimtmečius). Tačiau jie dar nerado nieko pernelyg įtikinamo.
Ar tai viskas, ką mes gausime? Tikrai ne. „IceCube“ netrukus ruošiasi esminiam atnaujinimui, todėl taip pat ruošiasi nauji eksperimentai, tokie kaip „Precision IceCube Next Generation Upgrade“ (PINGU) ir „Deep Underground Neutrino Experiment“ (DUNE). Kas žinojo, kad toks paprastas klausimas dėl neutrinų masių išdėstymo atskleis tiek daug visatos veikimo būdo? Tai labai blogai, tai taip pat nėra lengvas klausimas.
Paulius M. Sutteris yra astrofizikas Ohajo valstijos universitetas, „Paklauskite erdvėlaivio" ir "Kosminis radijas, „ir“Jūsų vieta Visatoje."
