Gyles Lewis
0 
5005
1537
Uwielbiam dobrą tajemnicę, czy się okaże, że zrobił to kamerdyner, czy też był to pułkownik Mustard w bibliotece ze świecznikiem.
Ale jeszcze bardziej kocham tajemnice naukowe.
Niedawno naukowcy prowadzący badania w Fermi National Accelerator Laboratory, czyli Fermilab, ogłosili pomiar, który jest prawdziwą łamigłówką. Obejmuje subatomową cząstkę zwaną neutrino, która jest duchem mikrokosmosu, zdolnym do przejścia przez Ziemię bez interakcji. I to ZANIM zaczniemy rozmawiać o dziwnych rzeczach.
Niedawne pomiary, przeprowadzone we współpracy naukowców o nazwie MiniBooNE, mogą zwiastować możliwe odkrycie nowego rodzaju neutrina, które mogłoby być źródłem ciemnej materii - jedna z najpilniejszych zagadek współczesnej astronomii. Ale żeby zrozumieć, jak to wszystko się łączy, trzeba poznać historię neutrin, która jest fascynującą opowieścią z zwrotami akcji, które przyprawiłyby Agatę Christie o zawrót głowy. [18 największych nierozwiązanych tajemnic w fizyce]
Austriacki fizyk Wolfgang Pauli po raz pierwszy zaproponował istnienie neutrin w 1930 roku. Obecnie wiemy, że neutrina oddziałują tylko poprzez to, co bez wyobraźni nazywa się „siłą słabą”, która jest najsłabszą z sił, które mają wpływ na odległości mniejsze od atomów. Neutrina powstają w reakcjach jądrowych i akceleratorach cząstek.
W 1956 roku zespół fizyków pod kierownictwem Amerykanów Clyde'a Cowana i Fredericka Reinesa po raz pierwszy zaobserwował upiorne cząstki. Za ich odkrycie Reines podzielił się nagrodą Nobla z fizyki w 1995 roku. (Cowan zmarł przed przyznaniem nagrody).
Przez dziesięciolecia stało się jasne, że istnieją trzy różne rodzaje neutrin, zwanych obecnie aromatami. Każdy smak neutrin jest inny, jak neapolitańskie lody waniliowe, truskawkowe i czekoladowe z dzieciństwa. Rzeczywisty smak neutrin pochodzi z ich połączenia z innymi cząstkami subatomowymi. Istnieje neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino tau, które są połączone odpowiednio z elektronem, mionem i tau. Elektron jest znaną cząstką z wnętrza atomów, a mion i tau są grubszymi i niestabilnymi kuzynami elektronu.
Każdy smak neutrina jest odrębny i nigdy dwa (lub trzy w tym przypadku) się spotykają. A przynajmniej tak się wydawało.
W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych pojawiła się tajemnica… niejako zagadka neutrina. Amerykańscy badacze Raymond Davis i John Bahcall próbowali obliczyć i zmierzyć ilość neutrin (szczególnie neutrin elektronowych) wytwarzanych w największym reaktorze jądrowym w okolicy: słońcu. Kiedy porównano prognozy i pomiary, nie zgodzili się. Eksperymentator Davis znalazł tylko około jedną trzecią neutrin elektronowych tyle, ile przewidział teoretyk Bahcall.
Ten konkretny eksperyment był niesamowity. Davis użył pojemnika wielkości olimpijskiego basenu pełnego standardowego płynu do czyszczenia na sucho, aby wykryć neutrina. Pomysł polegał na tym, że kiedy neutrina ze słońca uderzyłyby w atomy chloru w płynie do czyszczenia na sucho, atomy te zamieniłyby się w argon. Davis czekał kilka tygodni, a potem próbował wydobyć argon. Spodziewał się około 10 atomów argonu, ale znalazł tylko trzy. Tak, dobrze przeczytałeś… tylko trzy atomy.
Oprócz trudności eksperymentalnych obliczenia przeprowadzone przez Bahcall były trudne i niezwykle wrażliwe na temperaturę wewnętrzną słońca. Niewielka, niewielka zmiana temperatury Słońca zmieniła przewidywanie liczby neutrin, które powinny zostać wyprodukowane.
Inne eksperymenty potwierdziły rozbieżność, którą zaobserwowali Bahcall i Davis, ale biorąc pod uwagę trudność tego, co próbowali zrobić, byłem prawie pewien, że jeden z nich popełnił błąd. Zarówno obliczenia, jak i pomiary były tak niewiarygodnie trudne do wykonania. Ale byłem w błędzie.
Kolejna rozbieżność zdziwiła badaczy. Neutrina powstają w ziemskiej atmosferze, gdy promienie kosmiczne z kosmosu uderzają w powietrze, którym wszyscy oddychamy. Naukowcy wiedzą z dużą pewnością, że w takim przypadku neutrina mionowe i elektronowe są produkowane w stosunku 2: 1. Jednak podczas pomiaru tych neutrin znaleziono neutrina mionowe i elektronowe w stosunku 1 do 1. Po raz kolejny neutrina zdezorientowały fizyków.
Tajemnica neutrin ze słońca i promieni kosmicznych z kosmosu została rozwiązana w 1998 roku, kiedy naukowcy w Japonii wykorzystali ogromny podziemny zbiornik o pojemności 50000 ton wody, aby zbadać stosunek neutrin mionowych i elektronowych powstałych w atmosferze 12 mil nad zbiornikiem. , w porównaniu z tym samym współczynnikiem uzyskanym po drugiej stronie planety lub około 8 000 mil stąd. Stosując to sprytne podejście, odkryli, że neutrina zmieniały swoją tożsamość podczas podróży. Na przykład, w zagadce Davisa-Bahcalla, neutrina elektronowe ze słońca zmieniały się w dwa pozostałe smaki. [Zdjęcia: Wewnątrz najlepszych laboratoriów fizycznych na świecie]
To zjawisko zmieniania smaków neutrin, podobnie jak wanilia, która zmienia się w truskawkę lub czekoladę, nazywa się oscylacją neutrin. Dzieje się tak, ponieważ neutrina nie tylko zmieniają swoją tożsamość i przestają. Zamiast tego, jeśli mają wystarczająco dużo czasu, te trzy rodzaje neutrin nieustannie zmieniają swoją tożsamość. Wyjaśnienie oscylacji neutrin zostało potwierdzone i wyjaśnione w 2001 roku w eksperymencie przeprowadzonym w Sudbury, Ontario..
Jeśli uważasz, że ta historia jest oszałamiająca, dopiero zaczynamy. Przez lata neutrina generowały więcej niespodzianek niż opera mydlana podczas Sweeps Week.
Po ustaleniu zjawiska oscylacji neutrin naukowcy mogli go zbadać za pomocą akceleratorów cząstek. Mogli tworzyć wiązki neutrin i scharakteryzować, jak szybko przechodzą z jednego smaku w drugi. W rzeczywistości istnieje cała branża oscylacji neutrin, z akceleratorami na całym świecie badającymi to zjawisko. Flagowym laboratorium do badań neutrin jest mój własny Fermilab.
Czwarty smak?
Wyróżniało się badanie przeprowadzone w 2001 roku w laboratorium Los Alamos przez grupę LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector). Ich pomiar nie pasował do przyjętego obrazu trzech różnych smaków neutrin. Aby ich wyniki miały sens, musieli postawić hipotezę o czwartym typie neutrina. A to nie było zwykłe neutrino. Nazywa się to „neutrinem sterylnym”, co oznacza, że w przeciwieństwie do zwykłych neutrin nie wyczuwało słabej siły. Ale rzeczywiście uczestniczył w oscylacji neutrin… przekształcaniu smaków neutrin. I prawdopodobnie był ciężki, co oznacza, że był idealnym kandydatem na ciemną materię.
To byłaby fajna obserwacja, ale wiele innych eksperymentów z neutrinami nie zgadzało się z nimi. W rzeczywistości wynik LSND był odstający - tak osobliwy, że zwykle nie był używany w metaanalizach fizyki neutrin.
A teraz dochodzimy do ostatniego pomiaru przeprowadzonego w eksperymencie MiniBooNE w Fermilab. Nazwa pochodzi od „BOOster Neutrino Experiment”. Wykorzystuje jeden z akceleratorów Fermilab zwany Booster do produkcji neutrin. Plik “Mini” wynika z faktu, że kiedy został zbudowany, przewidziano większy eksperyment następczy.
Naukowcy z MiniBooNE odkryli, że ich dane faktycznie wspierały pomiar LSND, a ponadto, jeśli połączyli swoje dane z danymi LSND, statystyczna siła pomiaru jest wystarczająco duża, aby stwierdzić odkrycie… prawdopodobnie sterylnych neutrin.
Ale jest też fakt, że wiele innych eksperymentów całkowicie nie zgadza się z eksperymentem LSND (a teraz MiniBooNE). Więc o co chodzi?
Cóż, jak mówią, jest to dobre pytanie. Możliwe, że badacze LSND i MiniBooNE po prostu znaleźli coś, czego brakowało w innych eksperymentach. Albo może być tak, że LSND i MiniBooNE dokonały fałszywego odkrycia. Albo może się zdarzyć, że te dwa aparaty eksperymentalne są wrażliwe w inny sposób niż inne. Ważnym parametrem jest to, że odległość między miejscem powstania neutrin a miejscem ich wykrycia była stosunkowo niewielka - zaledwie kilkaset metrów, a długość aparatury to kilka boisk piłkarskich. Neutrina potrzebują czasu, aby oscylować, a jeśli się poruszają, przekłada się to na odległość. Wiele eksperymentów z oscylacjami neutrin ma detektory umieszczone kilka lub kilkaset kilometrów dalej. Być może ważna oscylacja zachodzi szybko, więc bliskość detektora jest kluczowa.
Sprawę komplikuje fakt, że we współpracy LSND i MiniBooNE, mimo że dzieli je ponad dekadę, zaangażowały się te same osoby. Jest więc możliwe, że powtarzają ten sam błąd. A może wykazujący ten sam blask. Trudno mieć pewność.
Jak więc rozwiązać ten problem? Jak dowiemy się, kto ma rację? Cóż, to jest nauka, aw nauce pomiary i replikacja wygrywają.
I to jest dobra wiadomość. Biorąc pod uwagę, że Fermilab zdecydował się rozwinąć swoją zdolność do badania neutrin, nie jeden, ale trzy różne eksperymenty z neutrinami działają lub są w trakcie budowy, z niewielkimi odległościami między miejscem powstania a punktem wykrywania neutrin. Jeden nazywa się MicroBooNE (mniejsza wersja MiniBooNE iz inną technologią), drugi to ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals), a trzeci to SBN (Short Baseline Neutrino). Wszystkie te eksperymenty są znacznie lepsze od MiniBooNE i LSND pod względem możliwości technicznych, więc naukowcy mają nadzieję, że w perspektywie kilku lat wydadzą ostateczne stwierdzenia na temat sterylnych neutrin..
Jaka będzie więc ostateczna odpowiedź? Nie wiem - o to chodzi w badaniach… jesteś kompletnie zdezorientowany, dopóki się nie dowiesz. Ale wiem, że jest to fascynująca tajemnica, z wieloma niespodziankami i pułapkami. Jestem prawie pewien, że nawet Sherlock Holmes byłby zdziwiony.
Pierwotnie opublikowano w dniu .
Don Lincoln wniósł wkład w ten artykuł do Live Science Głosy ekspertów: Op-Ed & Insights.