Następca Super-Kamiokande (na zdjęciu) – detektor neutrin w Sudbury (Kanada) dostarczył kolejne dowody na to, że neutrina posiadają masę, co jest niezgodne z powszechnie przyjmowanym Modelem Standardowym – opisem świata cząstek elementarnych.

Ponad 60 lat temu Wolfgang Pauli zaproponował istnienie nowej cząstki elementarnej – neutrina. Miała ona nie posiadać masy i być bardzo przenikliwa – tak, że mogłaby przenikać przez zwykłą materię, jedynie niezwykle rzadko zderzając się z nią. Pauli wysunął taką teorię w celu ratowania zasady zachowania energii. W tamtych latach bowiem podczas pomiarów rozpadu beta zarejestrowano mniej energii, niż jej powinno pozostać w układzie.

Odkrycia neutrina, mimo tak niezwykłej jego przenikliwości, dokonano już w 1956 roku. Na początku lat siedemdziesiątych zaczęto obserwować neutrina pochodzące ze Słońca. Okazało się, że ich ilość nie zgadzała się z obliczeniami. Mogło to oznaczać, że albo teorie przemian zachodzących w gwiazdach są niewłaściwe, albo coś dzieje się z neutrinami w czasie ich drogi do Ziemi.

Wiemy, że istnieją trzy rodzaje neutrin. Słońce emituje tylko jeden z nich. Gdyby więc neutrina ze Słońca mogły w locie zmieniać się w neutrina innego rodzaju, można by wytłumaczyć fakt, że obserwuje się zbyt mało neutrin słonecznych. Zjawisko takiej transformacji cząstki to oscylacja, jednak żeby mogło do niej dojść, cząstka musi mieć masę. Wniosek, że neutrino ma masę, zszokował środowisko fizyków w 1998 roku, kiedy to naukowcy z Superkamiokande (Super-K) – detektora neutrin w Japonii ogłosili swoje wyniki.

Detektor Sudbury znajduje się ponad kilometr pod ziemią, ponieważ ziemia stanowi osłonę przed deszczem promieniowania kosmicznego i innymi cząstkami (ilustracja). Obserwuje neutrina, rejestrując błyski światła, które są efektem zderzeń neutrin z wodą wypełniającą detektor. Przewaga detektora Sudbury nad Super-K polega na tym, że ten drugi jest w stanie wykrywać jedynie dwa rodzaje neutrin (elektronowe i mionowe), podczas gdy naukowcy z Sudbury mogą wykrywać wszystkie trzy (te same plus taonowe). Dzięki temu udało im się stwierdzić (w czasie obserwacji od listopada 1999 do stycznia 2001 roku), że 60 procent neutrin słonecznych oscyluje, czyli zmienia się, w drodze do Ziemi. Wynik ten ogłosili w poniedziałek.

Ostateczne rozwiązanie zagadki masy neutrin ma bardzo duże znaczenie. Choć masa ta jest bardzo mała, to i tak dzięki niej całkowita masa wszystkich neutrin może stanowić 18 procent masy Wszechświata. Masywność tych cząstek oznacza też konieczność poprawienia Modelu Standardowego, który odnosił ogromne sukcesy w opisie świata cząstek elementarnych. Skuteczniejsze metody obserwacji neutrin mogą w przyszłości dać nam jeszcze bardzo wiele – neutrina pochodzące ze środka gwiazd wydostają się na zewnątrz najczęściej bez uszczerbku, więc jeśli je wykryjemy – dowiemy się więcej o procesach zachodzących w samym wnętrzu gwiazd.

Autor

Andrzej Nowojewski