Neutrina to najlżejsze znane cząstki materii, o których wciąż niewiele wiadomo. Hipotezę o ich istnieniu ponad 80 lat temu postawił pochodzący z Austrii fizyk Wolfgang Pauli. Jego zdaniem, właśnie taka cząstka była emitowana przy rozpadzie beta jąder atomowych, w których jądro atomu emituje elektron. Obserwacje sugerowały, że zachowanie elektronów emitowanych w rozpadzie beta łamie zasadę zachowania pędu i zasadę zachowania energii. Pauli przypuszczał, że w trakcie tego rozpadu emitowana jest jeszcze jedna cząstka, której dotychczas nie wykryto.

Jego przewidywania okazały się trafne po długim czasie. Doświadczalnie istnienie neutrin zostało potwierdzone dopiero w 1956 r.

"Detekcja neutrin jest bardzo trudna, gdyż są obojętne elektrycznie i niesłychanie słabo oddziałują z jakąkolwiek materią. Szansę na wykrycie neutrina daje jego zderzenie z neutronem, w wyniku którego powstają dwie naładowane cząstki - proton i elektron. Są jednak neutrina, które w podobnym zderzeniu nie produkują elektronu lecz jego 200 razy cięższego +brata+ - mion. Trzeci rodzaj neutrin prowadzi w zderzeniu z neutronem do powstania jeszcze cięższej cząstki o nazwie taon. Znamy więc trzy rodzaje neutrin i mamy dobre powody by uważać, że tych rodzajów nie ma już więcej" - tłumaczył w komunikacie dr Pawłowski.

Jak dodał, przez wiele lat uważano, że neutrina są pozbawione masy. Pogląd ten został jednak podważony pod koniec ubiegłego wieku dzięki obserwacji, że neutrina dochodzące do nas z atmosfery mogą zmieniać swoją tożsamość i np. z mionowych stać się elektronowymi.

"Jest to zjawisko nie mające swojego dobrego odpowiednika w świecie obiektów makroskopowych. W zgrzewce butelek wody mineralnej wysłanej np. w trzystukilometrową podróż nie pojawi się nigdy bez powodu kilka butelek wina. Okazuje się, że w świecie neutrin przemiana jednego rodzaju cząstek w drugie jest możliwa, a ponieważ zachodzi cyklicznie to zjawisko to nazwano oscylacjami neutrin" - wyjaśnił rzecznik IPJ.

Oscylacje neutrin ze źródeł naturalnych, takich jak Słońce czy atmosfera, zostały zaobserwowane kilka lat temu. Zburzyło to pogląd o bezmasowości neutrin, gdyż teoria przewiduje, że tylko neutrina różniące się co do masy - a więc nie bezmasowe - mogą zmieniać swoją tożsamość w procesie oscylacji. Aby dokładnie zbadać naturę oscylacji potrzebne są jednak precyzyjne doświadczenia laboratoryjne. Największym z eksperymentów, który poszukuje oscylacji neutrin wytwarzanych w sposób kontrolowany w laboratorium jest ulokowany w Japonii eksperyment T2K.

"Wiązka neutrin mionowych, wytwarzana w akceleratorze w pobliżu Tokio kierowana jest pod krzywizną Ziemi do potężnego detektora zbudowanego w oddalonej o ok. 300 km starej kopalni w Kamioka. Tam we wnętrzu wydrążonej góry czeka na docierające neutrina potężny zbiornik wypełniony 50 tys. ton wody i obłożony ponad 11 tys. optycznych czujników (fotopowielaczy). Wypatrują one błysków świadczących o oddziaływaniu neutrina z neutronem" - opisywał Pawłowski.

Na środowej konferencji zespołu T2K w japońskim laboratorium w Tsukubie, ogłoszono wyniki będące efektem analizy danych zebranych w ciągu ok. 10 miesięcy pracy eksperymentu. Z ogłoszonych informacji wynika, że detektor Super-Kamiokande zaobserwował w tym czasie sześć przypadków zjawisk, które z dużym prawdopodobieństwem można uznać za ślad obecności neutrin elektronowych, powstałych w wyniku przemian zachodzących w pierwotnej wiązce neutrin mionowych.

Naukowcy wyjaśniają w komunikacie, że na 88 zarejestrowanych przypadków pojawienia się jakichkolwiek neutrin (czyli przypadków zderzenia neutrina z neutronem), sześć to zapis zderzenia z neutronem neutrina elektronowego, czego sygnałem jest pojawienie się elektronu.

"Co prawda elektrony mogą pojawić się również z powodu zjawisk innych niż pojawienie się neutrina elektronowego. Niemniej przewidywaliśmy, że w trakcie trwania eksperymentu T2K wykryjemy 1,5 takich zdarzeń, spowodowanych innymi przyczynami. Dlatego dotychczasowe obserwacje pozwalają nam szacować, że prawdopodobnieństwo iż wykryliśmy właśnie neutrina elektronowe wynosi 99,3 proc." - napisano w komunikacie prasowym.

"Sześć przypadków to nadal zbyt mało, by wynik uznać za w pełni przekonywujący, choć jest to wynik bardzo obiecujący. Kolejne dane będą zbierane, jednak na skutek marcowego trzęsienia ziemi w Japonii, eksperyment musi być wstrzymany przynajmniej na kilka miesięcy. Obecne plany zakładają, że ponownie zostanie uruchomiony na przełomie 2011/2012 roku" - podkreślił Pawłowski.

W eksperyment T2K zaangażowanych jest ok. 500 naukowców z 12 krajów świata. Wśród nich jest grupa ok. 30 uczonych z Polski -fizyków i inżynierów. W badaniach uczestniczą także magistranci i doktoranci. Polska grupa miała istotny wkład w zaprojektowanie, zbudowanie i instalację jednego z poddetektorów badających wiązkę wysyłanych neutrin. Polacy biorą udział w zbieraniu i analizie danych, która doprowadziła do ogłoszonego wyniku, przygotowali fragmenty oprogramowania i testowali układy elektroniczne.

Naukowcy liczą, że lepsze poznanie neutrin powie nam dużo w wszechświecie - np. od ustalenia dokładnej masy neutrin zależy ustalenie, jaką część masy wszechświata stanowią.

"Ogromna liczba neutrin jest obecna w naszym bezpośrednim otoczeniu. W każdej chwili przez ciało każdego z nas przelatują ich miliardy. Pochodzą one ze Słońca, w którym powstają w wyniku zachodzących w nim przemian jądrowych, pochodzą z atmosfery, z odległego kosmosu, a także z wnętrza Ziemi. Dzięki słabemu oddziaływaniu z wszelką materią, niosą niezakłócona informację o miejscach i procesach, w których się narodziły. Są np. cennym źródłem informacji o wczesnych stadiach ewolucji Wszechświata - epoki z której nie docierają już do nas sygnały promieniowania elektromagnetycznego. Zagadka mas neutrin pozostaje wyzwaniem dla modeli teoretycznych opisujących oddziaływania fundamentalne w przyrodzie. Dokładne zbadanie oscylacji neutrin może nas też zbliżyć do odpowiedzi na pytanie, dlaczego nasz Wszechświat powstały w Wielkim Wybuchu zawiera głównie materię, a tak mało w nim antymaterii. Zastosowania praktyczne fizyki neutrin to nadal jeszcze domena science fiction, ale historia poucza, że wszelkie poznanie wcześniej czy później przekłada się na efekty wzbogacające naszą cywilizacje techniczną" - wyjaśnił rzecznik IPJ.

PAP - Nauka w Polsce

ula/ agt/bsz