Pod zemljo razkrili skrivnost nevtrinov iz vesolja

Za vse, ki so vajeni prisegati na svet, kakršnega vidijo s svojimi očmi, bo znanstveni dosežek, nagrajen z letošnjo Nobelovo nagrado za fiziko, bržkone pomenil pravi pretres. Pojasnjuje namreč desetletja staro uganko nevtrinov, poleg delcev svetlobe najpogostejših in najbolj izmuzljivih delcev v vesolju – in tudi v našem okolju in celo v nas samih. Delcev, ki jih ne moremo ne videti ne slišati, ne prijeti ne vonjati, prav tako jih do nedavnega ni bilo mogoče zaznati s še tako natančnimi napravami.

Zaznati jih je uspelo le tisoče metrov globoko pod zemljo letošnjima Nobelovima nagrajencema za fiziko, japonskemu znanstveniku Takaakiju Tadžikiju v laboratoriju Super-Kamiokande na Japonskem in kanadskemu znanstveniku Arthurju McDonaldu v observatoriju Sudbury Neutrino v Kanadi.

Naj se tega zavedamo ali ne, pravzaprav že od nekdaj živimo v svetu do nedavnega nezaznavnih nevtrinov. Vsako sekundo jih skozi naše telo preide na milijarde – skoraj s svetlobno hitrostjo prihajajo iz vesolja, ne da bi jih karkoli lahko ustavilo. Nekaj jih je nastalo že pri samem velikem poku, drugi pa nenehno nastajajo v raznih procesih v vesolju in na Zemlji, v tistih pri eksplozijah supernov, umiranju masivnih zvezd, do reakcij v jedrskih napravah in v procesih radioaktivnega razpada v naravi. Nastajajo celo v našem telesu: ob razpadu kalijevega izotopa se jih vsako sekundo sprosti okoli pet tisoč. Večina tistih, ki dosežejo naš planet, izvira iz jedrskih reakcij v Soncu, sicer pa so nevtrini poleg fotonov najpogostejši delci v celotnem vesolju.

Kljub njihovi pogostnosti pa so dolgo ostali prikriti celo najbolj pronicljivim znanstvenikom. Prvi je možnost, da obstajajo, zaslutil avstrijski znanstvenik in tudi nobelovec Wolfgang Pauli v 30. letih prejšnjega stoletja, a niti sam ni bil prepričan, ali je njegov sum utemeljen. Svojim kolegom se je zanj celo opravičil, rekoč: »Storil sem strašno stvar – postavil sem domnevo o delcu, ki ga ni mogoče zaznati!«

Je pa njegovo domnevo v svojo teorijo vključil drug nobelovec, italijanski znanstvenik Enrico Fermi, ki je ta tedaj nezaznavni delec poimenoval nevtrin, vendar ne on ne kdo drug takrat ni slutil, da bo ta neznatni delec sprožil revolucijo tako v fiziki delcev kot v kozmologiji.

»Zasluga« jedrskih elektrarn

Minilo je še četrt stoletja, preden so ta delec zares odkrili. »Zasluge« za to pripadajo pojavu jedrskih elektrarn po letu 1950, iz katerih so začeli v okolje prihajati nevtrini v velikih tokovih. Junija 1956 sta tako ameriška fizika, nobelovec Frederick Reines in Clyde Cowan s telegramom obvestila Paulija, da so nevtrini pustili sledove na njunih detektorjih. Ti so dokazali, da je »namišljeni« delec ali poltergeist, kot so takrat označevali nevtrin, resničen.

A uganka s tem ni bila rešena, ampak se je šele prav postavila. Po letu 1960 so znanstveniki teoretično izračunali število nevtrinov, nastalih v jedrskih reakcijah v Soncu, zaradi katerih to sije, toda ko so jih merili na Zemlji, so jih izmerili le dve tretjini od predvidenih. Kam so izginili preostali? Domnev je bilo veliko. Je šlo morda za napako v teoretičnih izračunih števila nevtrinov, ki so nastali v Soncu, ali pa so morda nevtrini celo zamenjali svojo identiteto?

Po standardnem modelu fizike delcev obstajajo trije tipi nevtrinov: elektronski nevtrin, muonski nevtrin in tau nevtrin. Vsak od njih ima partnerja z nabojem, elektron in njemu sorodna bistveno težja in kratkotrajna muon in tau. Sonce proizvaja le elektronske nevtrine. Če bi se ti na poti do Zemlje preoblikovali v muonske ali tau nevtrine, bi to pojasnilo »deficit« v ujetih elektronskih nevtrinih.

Uganka se zapleta

A domneve o spreminjanju identitete nevtrinov so ostale zgolj domneve, vse dokler znanstveniki niso dobili izredno zmogljive opreme in laboratorijev globoko pod zemljo – običajno v opuščenih rudnikih, kjer so bili zavarovani pred »šumi« iz vesolja in pred spontanimi radioaktivnimi razpadi v okolici. Kljub tej opremi pa je bilo še vedno težko ločiti prave signale nevtrinov v množici milijard napačnih signalov. Celo zrak v podzemnih rovih in material, iz katerega so zgrajeni detektorji, vsebujeta naravno prisotne sledi elementov, ki razpadajo in s tem motijo meritve.

Prvim je skrivnost nevtrinov uspelo delno razkriti v laboratoriju Super-Kamiokande, v detektorju v ogromnem bazenu tisoč metrov pod zemljo. Kar 50.000 ton vode v tem bazenu je tako čiste, da svetloba v njej prepotuje 70 metrov, preden se njena intenzivnost prepolovi. Za primerjavo: v običajnem plavalnem bazenu se intenzivnost svetlobnega žarka zmanjša za polovico že po nekaj metrih.

Večina nevtrinov nemoteno preide skozi bazen, toda sem in tja kateri trči ob atomsko jedro ali elektron v vodi. Ob trku nastanejo delci z nabojem – muoni iz muonskih nevtrinov in elektroni iz elektronskih nevtrinov, okoli teh delcev pa nastajajo šibki bliski modre svetlobe. To je Čerenkova svetloba, ki se pojavi, ko delec potuje hitreje od hitrosti svetlobe. To ni v nasprotju z Einsteinovo teorijo relativnosti, ki pravi, da v vakuumu nič ne more preseči hitrosti svetlobe. V vodi pa se svetloba upočasni za 75 odstotkov in jo zato lahko prehitijo razni nabiti delci. Oblika in intenzivnost Čerenkove svetlobe razkrivata, katere vrste nevtrin jo je povzročil in od kod prihaja.

V Super-Kamiokandeju so fiziki ujeli tako muonske nevtrine iz atmosfere na površju kot tudi tiste, ki so zadeli detektor iz globine Zemlje, potem ko so prešli skozi ves planet. Število nevtrinov z obeh strani bi moralo biti enako, saj Zemlja za nevtrine ni ovira, vendar je bilo tistih, ki so prišli iz atmosfere, več kot tistih, ki so prešli skozi Zemljo. Je neujemanje števila pomenilo, da so nevtrini, ki so potovali po daljši poti, skozi Zemljo, imeli dovolj časa, da so spremenili identiteto?

Nevtrini spreminjajo identiteto

Odgovor so fiziki našli v kanadskem observatoriju Sudbury Neutrino, kjer so izvedli meritve nevtrinov, nastalih v Soncu – tam nastajajo le elektronski nevtrini. Merili so jih v bazenu s tisoč tonami težke vode dobrih 2000 metrov pod zemljo v nekdanjem rudniku niklja. Težka voda se od navadne razlikuje po tem, da ima vsak vodikov atom v vodni molekuli v jedru dodatni nevtron, ki tvori vodikov izotop devterij. Jedro devterija omogoča, da v detektorju prihaja do več trkov nevtrinov. V nekaterih reakcijah lahko raziskovalci merijo le elektronske nevtrine, v drugih pa vse tri tipe nevtrinov skupaj, ne da bi jih mogli ločiti drugega od drugega.

Tudi meritve elektronskih nevtrinov, ki so prihajali s Sonca, in primerjave z meritvami vseh treh tipov nevtrinov so potrdile domnevo, da so nevtrini sposobni spreminjati identiteto. Na 150 milijonov kilometrov dolgi poti do Zemlje je identiteto spremenilo kar dve tretjini elektronskih nevtrinov.

Oba eksperimenta, vsak na svojem koncu (podzemnega) sveta, sta potrdila domnevo o kameleonski naravi nevtrinov. A uganka še ni bila rešena. Odprlo se je namreč novo vprašanje: kako je preobrazba nevtrinov mogoča, če ti nimajo mase? Odgovor ponuja kvantna fizika, ki delec energije hkrati pojmuje tudi kot val določene frekvence. Nevtrin tako na svoji poti oscilira, spreminja svojo obliko – da je to mogoče, pa mora imeti maso, čeprav le zelo majhno.

Metamorfoza le z maso

Odkritje je vodilo do sklepa, da nevtrini, ki so dolgo veljali za brezmasne, morajo imeti nekaj mase, čeprav zelo majhne. Za fiziko osnovnih delcev je bilo to zgodovinsko odkritje, ki je ponudilo vpogled v skriti svet nevtrinov. »Postalo pa je tudi jasno, da standardni model ne more biti popolna teorija tega, kako delujejo temeljni sestavni deli vesolja,« je na novinarski konferenci sporočil odbor za podelitev nagrade.

»Nevtrini sicer niso moje ožje raziskovalno področje, so pa v eksperimentalni fiziki delcev tako pomembni, da razvoj eksperimentov in njihove rezultate pozorno spremljam vso svojo raziskovalno kariero,« za Delo pomen letošnje Nobelove nagrade za fiziko pojasnjuje prof. dr. Marko Mikuž, profesor na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in vodja Odseka za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev na Institutu Jožef Stefan.

»V zadnjih 30 letih je nevtrinska eksperimentalna fizika naredila podoben velik korak kot astrofizika. Če sta bili to prej veji, kjer so prevladovali kvalitativni rezultati, sta sčasoma napredovali do precizijskih meritev, ki so na obeh področjih razkrile osupljive in za marsikoga presenetljive rezultate.«

Nagrada že leta 2002

Precizijska nevtrinska fizika je »svojo« Nobelovo nagrado dobila že leta 2002, ko sta si Raymond Davies in Masatoši Košiba razdelila polovico nagrade za »nevtrinsko astronomijo«, to je za radiokemične meritve nevtrinov s Sonca (Davies) ter meritve sončevih nevtrinov in nevtrinov iz eksplozije supernove 1987A z detektorjem Kamikokande (Košiba).

»Meritve Sončevih (elektronskih) nevtrinov so že takrat kazale na znaten primanjkljaj, kar je nakazovalo na mešanje vrst nevtrinov med sabo, torej tudi na njihovo maso,« pojasnjuje dr. Mikuž. »Zanimivo je še, da sta v takratni obrazložitvi eksplicitno omenjena tudi rezultata eksperimentov v laboratorijih Takaakija Kadžite in Arthurja McDonalda. Prvi je izmeril mešanje nevtrinov, ki prihajajo iz atmosfere, drugi pa nedvoumno pokazal, da je primanjkljaj Sončevih nevtrinov povezan z njihovo transformacijo v druge vrste nevtrinov. Ta izsledka sta prvi meritvi v fiziki delcev, ki ju ne moremo razložiti s standardnim modelom, zato tudi ne preseneča odločitev Nobelovega odbora za že drugo nagrado v razmeroma kratkem času za to področje fizike,« meni dr. Mikuž.

Omenja pa še dve zanimivosti ob podelitvi letošnjih nagrad. »Prvič sta ob institucijah nagrajencev eksplicitno omenjena tudi laboratorija, v katerih sta lavreata meritev izvedla. Druga zanimivost pa je, da je bil med člani observatorija Sudbury Neutrino tudi naš dolgoletni sodelavec, pokojni dr. Neil Tanner z univerze v Oxfordu, ki nam je pred kakimi 15 leti na seminarju v Ljubljani navdušeno pripovedoval o tem eksperimentu. Žal Nobelove nagrade ni dočakal.«