Wzajemna transformacja różnych typów neutrin 08.10.2015

Dobrze znane jest bardzo słabe oddziaływanie neutrin z materią. Mogą przechodzić przez Ziemię lub Słońce, nie naruszając ani jednego atomu. Co więcej, mogą w ten sposób przejść przez miliardy gwiazd. Z jednej strony utrudnia to rejestrację i pomiar ich cech, a z drugiej czyni z nich źródło najważniejszych informacji o ewolucji Wszechświata i procesach zachodzących wewnątrz gwiazd. Naukowcy uważają też, że neutrina mogą odgrywać kluczową rolę w wyjaśnianiu asymetrii materii i antymaterii we Wszechświecie, która polega na tym, że po Wielkim Wybuchu nie doszło do całkowitej wzajemnej anihilacji materii i antymaterii, a część materii nadal przetrwała i utworzyli nasz Wszechświat.

Jednym z problemów z neutrinami jest problem ich masy. Przez długi czas zakładano, że neutrino nie ma masy. W ten sposób zostały uwzględnione w pierwotnej wersji Modelu Standardowego. Rozwiązanie tego pytania jest ważne nie tylko dla zrozumienia fizyki cząstek elementarnych. Neutrina powstają w wyniku reakcji jądrowych zachodzących we Wszechświecie, a po fotonach są w nim najczęściej występującymi cząstkami. Ich liczba jest ogromna. Co sekundę przez centymetr kwadratowy przechodzi ponad 60 miliardów neutrin. Zatem nawet przy bardzo małej masie własnej, całkowita masa wszystkich neutrin może być bardzo duża i może wpływać na ewolucję Wszechświata. Według współczesnych szacunków masa wszystkich neutrin jest w przybliżeniu równa masie wszystkich widocznych gwiazd we Wszechświecie.

Kolejny problem pojawił się przy określeniu liczby neutrin elektronowych docierających do Ziemi ze Słońca. Od lat 1970. eksperymenty zarejestrowały tylko jedną trzecią liczby przewidywanej przez teorię. Nazwano to deficytem liczby neutrin elektronowych. W celu wyjaśnienia zjawiska wysunięto dwa tuziny założeń, z których zwyciężyła hipoteza tzw. oscylacji (oscylacji) neutrin. Zakładano, że neutrina elektronowe w drodze ze Słońca zamieniły się w inne typy neutrin, które nie zostały zarejestrowane w eksperymentach. Co ciekawe, ideę oscylacji cząstek elementarnych wyraził w 1957 roku radziecki akademik Bruno Pontecorvo. Oscylacje neutrin były poważnie omawiane w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych.

Obecnie znane są trzy typy neutrin, z których każdy rodzi się zawsze wraz z odpowiadającym mu leptonem - elektronem, mionem lub leptonem tau, od których otrzymały swoje nazwy. Zgodnie z hipotezą oscylacji neutrin, okresowo w czasie i przestrzeni zachodzi proces wzajemnej przemiany neutrin w siebie. Tak więc w wiązce, początkowo składającej się tylko z neutrin elektronowych, w miarę propagacji pojawia się domieszka neutrin mionowych i taonowych z jednoczesnym zmniejszeniem udziału neutrin elektronowych.

Co ciekawe, rozwiązanie tego problemu okazało się związane z problemem masy neutrin. Faktem jest, że oscylacje neutrin są możliwe tylko wtedy, gdy mają masy.

Powodem tego, zgodnie ze współczesnymi koncepcjami, jest to, że neutrina elektronowe, mionowe i taonowe są kwantową mieszaniną trzech stanów o różnych masach, z których każdy wchodzi ze swoim udziałem. Można powiedzieć, że neutrina elektronowe, mionowe i taonowe składają się z trzech fal, z których każda oscyluje z własną częstotliwością i amplitudą. Jeśli więc w początkowym momencie suma tych fal wyglądała jak neutrino elektronowe, to po chwili fale te zsumują się w taki sposób, że pojawi się domieszka neutrin mionowych i taonowych, co jest mierzone przez eksperymentatorów jako deficyt liczby neutrin elektronowych.

Tak więc fizycy od dawna wierzyli, że neutrina mają masę, chociaż nie została jeszcze zmierzona bezpośrednio. Dokonano nawet odpowiedniej niewielkiej modyfikacji formuł Modelu Standardowego, co nie naruszało jego istoty. Ale eksperymentalne dowody na to uzyskano na przełomie XX i XXI wieku. Laureaci Nagrody Nobla z 2015 r. Japończyk Takaaki Kajita i Kanadyjczyk Arthur McDonald byli kluczowymi postaciami w dwóch głównych grupach badawczych, które badały oscylacje neutrin.

W 1998 roku opublikowano wyniki japońskich naukowców dotyczące oscylacji neutrin atmosferycznych, powstających w wyniku oddziaływania promieni kosmicznych z jądrami atomów gazów atmosferycznych, uzyskane w eksperymencie Super-Kamiokande. Kiedy neutrino zderza się z cząsteczką wody w zbiorniku detektora, powstaje szybka, naładowana elektrycznie cząstka. Generuje promieniowanie Czerenkowa, które jest mierzone przez czujniki światła. Jego kształt i intensywność zdradzają rodzaj neutrina i jego pochodzenie. Neutrina mionowe pochodzące z góry były liczniejsze niż te, które podróżowały dłuższą drogą przez kulę ziemską. To pokazuje, że neutrina mionowe w drugim przypadku zamieniły się w inne typy neutrin.

W 2001 roku w Sudbury Neutrino Observatory (SNO - Sudbury Neutrino Observatory) udowodniono oscylacje neutrin słonecznych. Tam reakcje między neutrinami a ciężką wodą w zbiorniku detektora umożliwiły pomiar liczby obu neutrin elektronowych i wszystkich trzech rodzajów neutrin łącznie. Stwierdzono, że liczba neutrin elektronowych jest mniejsza niż oczekiwano, podczas gdy łączna liczba wszystkich trzech typów neutrin razem była zgodna z oczekiwaniami. Z tego wynikało, że część neutrin elektronowych zamieniła się w inne typy neutrin.