Τα νετρίνα είναι ίσως τα πιο αινιγματικά γνωστά σωματίδια. Απλώς παραβιάζουν όλους τους γνωστούς κανόνες για το πώς τα σωματίδια πρέπει να συμπεριφέρονται. Θυμνάζουν τους φανταστικούς ανιχνευτές μας. Όπως και οι κοσμικές γάτες, παγιδεύουν σε όλο το σύμπαν χωρίς να ανησυχούν ή να φροντίσουν, περιστασιακά αλληλεπιδρώντας με τους υπόλοιπους, αλλά πραγματικά μόνο όταν το νιώθουν, το οποίο ειλικρινά δεν είναι όλο αυτό συχνά.
Οι περισσότεροι απογοητευτικοί από όλους, φορούν μάσκες και ποτέ δεν φαίνονται με τον ίδιο τρόπο δύο φορές.
Αλλά ένα νέο πείραμα μπορεί να μας έχει κάνει μόνο ένα βήμα πιο κοντά στην εξόντωση αυτών των μάσκες. Η αποκάλυψη της πραγματικής ταυτότητας του νετρίνα θα μπορούσε να βοηθήσει στην απάντηση σε μακροχρόνιες ερωτήσεις, όπως το εάν τα νετρίνα είναι οι δικοί τους συνεργάτες αντιύλης και θα μπορούσε ακόμη και να βοηθήσει στην ενοποίηση των δυνάμεων της φύσης σε μια συνεκτική θεωρία.
Ένα τεράστιο πρόβλημα
Τα νετρίνα είναι περίεργα. Υπάρχουν τρία είδη: το νετρίνο ηλεκτρονίων, το νετρίνο του μιονίου και το νετρίνο tau. (Υπάρχουν και οι αντιπαράθυμες εκδόσεις αυτών των τριών, αλλά αυτό δεν είναι μεγάλο μέρος αυτής της ιστορίας.) Είναι έτσι ονομασμένοι επειδή αυτά τα τρία είδη φτάνουν στο πάρτι με τρία διαφορετικά είδη σωματιδίων. Τα ηλεκτρόνια νετρίνων ενώνουν αλληλεπιδράσεις που περιλαμβάνουν ηλεκτρόνια. Τα νετρίνα Muon ζευγαρώνουν με μιόνια. Δεν θα δοθούν βαθμοί για να μαντέψετε τι αλληλεπιδρά το tau neutrino.
Μέχρι στιγμής, αυτό δεν είναι παράξενο. Εδώ έρχεται το περίεργο κομμάτι.
Για σωματίδια που είναι δεν τα νετρίνα - όπως τα ηλεκτρόνια, τα μιόνια και τα σωματίδια tau - αυτό που βλέπετε είναι αυτό που παίρνετε. Αυτά τα σωματίδια είναι όλα τα ίδια, εκτός από τις μάζες τους. Εάν εντοπίσετε ένα σωματίδιο με τη μάζα ενός ηλεκτρονίου, θα συμπεριφέρεται ακριβώς όπως ένα ηλεκτρόνιο πρέπει να συμπεριφέρεται, και το ίδιο ισχύει για το μιονί και το tau. Επιπλέον, μόλις εντοπίσετε ένα ηλεκτρόνιο, θα είναι πάντα ένα ηλεκτρόνιο. Τίποτα περισσότερο, τίποτα λιγότερο. Ίδια για το μιον και το tau.
Αλλά το ίδιο δεν ισχύει και για τα ξαδέρφια τους, τα ηλεκτρόνια, τα μιόνια και τα ουδένια.
Αυτό που λέμε, ας πούμε, το «νετρίνο tau» δεν είναι πάντα το tau neutrino. Μπορεί να αλλάξει την ταυτότητά του. Μπορεί να γίνει, μεσαία πτήση, ένα ηλεκτρόνιο ή μιόνιο νετρίνο.
Αυτό το περίεργο φαινόμενο που βασικά κανείς δεν περίμενε ονομάζεται ταλάντωση των νετρίνων. Αυτό σημαίνει, μεταξύ άλλων, ότι μπορείτε να δημιουργήσετε ένα ηλεκτρονικό νετρίνο και να το στείλετε στον καλύτερο φίλο σας ως δώρο. Αλλά από τη στιγμή που το έχουν, μπορεί να απογοητευτούν για να βρουν ένα tau neutrino αντί.
Teeter-τρεξίματος
Για τεχνικούς λόγους, η ταλάντωση των νετρίνων λειτουργεί μόνο εάν υπάρχουν τρία νετρίνα με τρεις διαφορετικές μάζες. Αλλά τα νετρίνα που ταλαντεύονται δεν είναι τα νετρίνα με γεύση με ηλεκτρόνια, μιούμον και ταού.
Αντ 'αυτού, υπάρχουν τρία "αληθινά" νετρίνα, καθένα με διαφορετικές αλλά άγνωστες μάζες. Ένα ξεχωριστό μείγμα αυτών των αληθινών, θεμελιωδών νετρίνων δημιουργεί κάθε μία από τις γεύσεις του νετρίνο που ανιχνεύουμε στα εργαστήριά μας (ηλεκτρόνια, μιόνια, ταού). Έτσι, η μετρούμενη από το εργαστήριο μάζα είναι μείγμα από αυτές τις πραγματικές μάζες νετρίνων. Εν τω μεταξύ, η μάζα κάθε πραγματικού νετρίνο στο μίγμα ρυθμίζει πόσο συχνά μεταμορφώνεται σε κάθε μια από τις διαφορετικές γεύσεις.
Η δουλειά των φυσικών είναι τώρα να ξεδιπλώσουν όλες τις σχέσεις: Ποιες είναι οι μάζες αυτών των πραγματικών νετρίνων και πώς συνδυάζονται μαζί για να κάνουν τις τρεις γεύσεις;
Έτσι, οι φυσικοί βρίσκονται σε ένα κυνήγι για να αποκαλύψουν τις μάζες των «αληθινών» νετρίνων εξετάζοντας πότε και πόσο συχνά αλλάζουν γεύσεις. Και πάλι, η φρασεολογία της φυσικής δεν είναι πολύ χρήσιμη όταν εξηγεί αυτό, καθώς τα ονόματα αυτών των τριών νετρίνων είναι απλώς m1, m2 και m3.
Μια ποικιλία από επίπονα πειράματα έχουν διδάξει στους επιστήμονες κάποια πράγματα σχετικά με τις μάζες των πραγματικών νετρίνων, τουλάχιστον έμμεσα. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε για κάποιες από τις σχέσεις μεταξύ της πλατείας των μαζών. Αλλά δεν γνωρίζουμε ακριβώς πόσο ζυγίζει οποιοδήποτε από τα πραγματικά νετρίνα και δεν ξέρουμε ποια είναι τα βαρύτερα.
Θα μπορούσε να είναι ότι το m3 είναι το βαρύτερο, υπερβαίνοντας πολύ τα m2 και m1. Αυτό ονομάζεται "κανονική παραγγελία" επειδή φαίνεται αρκετά φυσιολογικό - και οι φυσικοί παραγγελιών ουσιαστικά μαντέψουν πριν από δεκαετίες. Αλλά με βάση την τρέχουσα κατάσταση της γνώσης μας, θα μπορούσε επίσης να είναι ότι το m2 είναι το βαρύτερο νετρίνο, με το m1 να μην είναι πολύ πίσω και το m3 να είναι αδύνατο σε σύγκριση. Αυτό το σενάριο ονομάζεται "ανεστραμμένη παραγγελία", διότι σημαίνει ότι υποθέσαμε αρχικά την λανθασμένη σειρά.
Φυσικά, υπάρχουν στρατόπεδα θεωρητικών που επισημαίνουν για κάθε ένα από αυτά τα σενάρια για να είναι αλήθεια. Οι θεωρίες που προσπαθούν να ενοποιήσουν όλες (ή τουλάχιστον τις περισσότερες) από τις δυνάμεις της φύσης κάτω από μια ενιαία οροφή τυπικά απαιτούν κανονική παραγγελία μάζας νετρίνων. Από την άλλη πλευρά, η σειρά ανεστραμμένης μάζας είναι απαραίτητη προκειμένου το νετρίνο να είναι το δικό του δίδυμο αντι-σωματιδίων. Και αν αυτό ήταν αλήθεια, θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί υπάρχει κάτι περισσότερο από την αντιύλη στο σύμπαν.
DeepCore workout
Ποια είναι: κανονική ή ανεστραμμένη; Αυτό είναι ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα που ξεκίνησαν από τις τελευταίες δεκαετίες έρευνας για το νετρίνο και είναι ακριβώς το είδος της ερώτησης που το μαζικό παρατηρητήριο Neutrino IceCube σχεδιάστηκε για να απαντήσει. Βρίσκεται στο Νότιο Πόλο, το παρατηρητήριο αποτελείται από δεκάδες σειρές ανιχνευτών που βυθίστηκαν στο φύλλο πάγου της Ανταρκτικής, με ένα κεντρικό "DeepCore" οκτώ χορδών πιο αποτελεσματικών ανιχνευτών που μπορούν να δουν χαμηλότερες ενεργειακές αλληλεπιδράσεις.
Οι ουδέτεροι μιλούν μόλις στην κανονική ύλη, έτσι είναι τέλεια ικανές να εκτοξεύουν κατευθείαν το σώμα της ίδιας της Γης. Και καθώς το κάνουν, θα μεταμορφώνονται σε διάφορες γεύσεις. Κάθε φορά σε μια σπάνια στιγμή, θα χτυπήσουν ένα μόριο στο φύλλο πάγου της Ανταρκτικής κοντά στον ανιχνευτή IceCube, ενεργοποιώντας ένα διαδοχικό ντους σωματιδίων που εκπέμπουν ένα εκπληκτικά μπλε φως που ονομάζεται ακτινοβολία Cherenkov. Είναι αυτό το φως που ανιχνεύουν οι συμβολοσειρές IceCube.
Σε πρόσφατη δημοσίευσή του στο περιοδικό pre-print arXiv, οι επιστήμονες του IceCube χρησιμοποίησαν τρία χρόνια δεδομένων DeepCore για να μετρήσουν πόσα από κάθε είδος νετρίνων πέρασαν από τη Γη. Η πρόοδος είναι αργή, βέβαια, επειδή τα νετρίνα είναι τόσο δύσκολο να τα πιάσουμε. Αλλά σε αυτό το έργο. οι επιστήμονες αναφέρουν μια μικρή προτίμηση στα δεδομένα για την κανονική παραγγελία (πράγμα που θα σήμαινε ότι είδαμε πριν από δεκαετίες). Ωστόσο, δεν έχουν βρει τίποτε πάρα πολύ πειστικά.
Είναι αυτό το μόνο που θα πάρουμε; Σίγουρα όχι. Το IceCube προετοιμάζεται σύντομα για μια σημαντική αναβάθμιση και νέα πειράματα όπως η αναβάθμιση της επόμενης γενιάς Icecube (Pingu) και το πειραματικό πρόγραμμα Neutrino Deep Underground Experiment (DUNE) προχωρούν για την αντιμετώπιση αυτής της κεντρικής ερώτησης. Ποιος γνώριζε ότι μια τόσο απλή ερώτηση σχετικά με την παραγγελία μάζης νετρίνων θα αποκάλυπτε τόσο μεγάλο μέρος του τρόπου λειτουργίας του σύμπαντος; Είναι πολύ κακό, δεν είναι επίσης εύκολη ερώτηση.
Paul M. Sutter είναι ένας αστροφυσικός στο Το κρατικό πανεπιστήμιο του Οχάιο, υποδοχής "Ρωτήστε έναν διαστημόπλοιο" και "Διαστημικό ραδιόφωνο, "και συγγραφέας του"Η Θέση σας στο Σύμπαν."
