Neutrino

Pierwsza obserwacja zderzenia neutrina z protonem (z jądra atomu wodoru) w komorze pęcherzykowej, 13 listopada 1970. Po zderzeniu widoczny jest krótki ślad protonu, mionu (*μ-meson*) i pionu (*π-meson*).

Rozmowa z prof. Marianem Kozielskim. Podkast z serii Nauka XXI wieku

Neutrino (ν) – cząstka elementarna należąca do leptonów. Jest posiadającym masę spoczynkową fermionem o spinie równym ½ i zerowym ładunku elektrycznym^[1]. Neutrina są cząstkami podstawowymi w modelu standardowym. Powstają w reakcjach rozpadu β+
, rozpadu mionu, rozpadu pionu i rozpadu taonu,^[2] na przykład neutrino elektronowe (ν_e) podczas rozpadu 116C:

116C → 115B + e+
+ ν_e

Nazwa jest włoskim zdrobnieniem neutronu. Została zaproponowana przez włoskiego fizyka Enrica Fermiego^[3].

Rodzaje neutrin

Istnieją trzy stany zapachowe neutrin:

ν_e – neutrino elektronowe
ν_μ – neutrino mionowe
ν_τ – neutrino taonowe

Według opisu cząstek wprowadzonego przez Paula Diraca każdy rodzaj neutrina ma swój odpowiednik (antyneutrino) w antymaterii. Antyneutrino elektronowe powstaje w trakcie rozpadu β−
, np. podczas rozpadu 31T lub 146C:

31T → 32He + e−
+ ν_e

146C → 147N + e−
+ ν_e

Ponieważ zaobserwowano tylko neutrina lewoskrętne i antyneutrina prawoskrętne powstało przypuszczenie, że neutrino może być cząstką Majorany - antyneutrino miałoby wtedy być prawoskrętnym neutrinem.^[2]

Neutrina podczas propagacji w przestrzeni mogą zmieniać swój rodzaj (zapach) – zjawisko to, nazywane oscylacją neutrin, dowodzi, że neutrina mają masę spoczynkową.^[2]

Historia

Istnienie neutrin zostało zaproponowane przez Wolfganga Pauliego na początku lat 30. XX w. (nadając nowej cząstce nazwę neutron) jako uzasadnienie ciągłego spektrum początkowej energii elektronów produkowanych w wyniku rozpadu β−
^[2]. Już wtedy jednoznacznie określono spin neutrina (równy $\pm {\tfrac {1}{2}}$ ) i ładunek elektryczny (równy 0), oraz że nie może oddziaływać silnie z materią. Na potrzeby opisu interakcji neutrina z materią wprowadzono do fizyki oddziaływanie słabe^[2]. W połowie lat 30. XX w. Enrico Fermi rozpoczął tworzenie matematycznego opisu tego oddziaływania, a Hans Bethe i Rudolf Peierls zaproponowali sposób wykrywania neutrin wykorzystany w pierwszym eksperymencie^[2].

Eksperymentalne potwierdzenie istnienia neutrin (a właściwie anty-neutrin, o czym jeszcze nie wiedziano) nastąpiło w roku 1956 (wykryli je Frederick Reines i Clyde Cowan)^[2].

Pomiary pędów i energii w reakcjach rozpadu mionu na elektron oraz pionu na mion wykazały, że również w tych przemianach powinny uczestniczyć neutrina. Określono, że pion powinien rozpadać się na mion i jedno neutrino (nazywane dzisiaj anty-neutrinem mionowym), a mion na elektron i dwa neutrina (dziś jedno to neutrino mionowe, a drugie anty-neutrino elektronowe)^[2]. Wynik ten doprowadził do wprowadzenia do fizyki liczby elektronowej i liczby mionowej oraz rozróżniania rodzajów neutrin^[2].

Istnienie neutrin mionowych potwierdzili Melvin Schwartz, Leon Lederman i Jack Steinberger w eksperymencie na początku lat 60. XX w. Neutrino mionowe dawniej nazywano neutretto.

W roku 2000 ogłoszono odkrycie neutrina taonowego jako wynik eksperymentu DONUT^[2].

Na podstawie eksperymentów prowadzonych przez CERN w akceleratorze LEP wyznaczających długość życia bozonu Z⁰ określono, że istnieją tylko 3 generacje neutrin^[2].

Oddziaływania neutrin

Neutrina nie oddziałują przez oddziaływania silne i elektromagnetyczne, a jedynie za pośrednictwem oddziaływań słabych (i grawitacyjnych). Są tak przenikliwe, że obiekt wielkości planety nie stanowi dla nich prawie żadnej przeszkody – przez jeden centymetr kwadratowy Ziemi zwrócony prostopadle do Słońca, co sekundę przelatuje 60,5 miliardów neutrin^[4].

Neutrina są wychwytywane przez jądro atomowe (przekrój czynny tego procesu jest bardzo mały), inicjując jego rozpad. Zjawisko to wykorzystuje się do wykrywania neutrin. Neutrina wychwytuje się w gigantycznych basenach z superczystą wodą (bądź innymi substancjami) umieszczonych głęboko pod ziemią i obserwuje się powstałe w wyniku tego promieniowanie.

Fizyka neutrin była badana w eksperymentach KamLand, Kamiokande, Super-Kamiokande, SNO, K2K, T2K, DONUT, MINOS.

Problem masy neutrin

Uważane kiedyś za cząstki bezmasowe, neutrina mają masę spoczynkową, chociaż dokładne masy neutrin nie są znane.

Na podstawie doświadczeń oscylacji neutrin w eksperymencie Super-Kamiokande^[5] określono różnicę między zapachami neutrin na około 0,04 eV. Jest to więc dolne ograniczenie masy jednego z rodzajów (zapachów) neutrin. Górną granicę oszacowano podczas badań kosmologicznych (np. promieniowanie tła, ucieczkę galaktyk) na 0,28 eV.

Eksperyment KATRIN, wykorzystując rozpad beta trytu, ma wyznaczyć masę neutrina lub ograniczyć górną granicę masy najcięższego neutrina do 200 meV (z odchyleniem standardowym ≤ 2). W 2015 roku zakończono testy urządzeń, w 2016 przeprowadzono testy całości. Pomiary rozpoczęto w 2018 roku i są planowane na 5 lat.

Źródła neutrin

Neutrina na Ziemi powstają m.in. na skutek oddziaływania promieniowania kosmicznego w górnych warstwach atmosfery (powstające w ten sposób neutrina nazywamy atmosferycznymi). Neutrina emitowane są także przez Słońce (neutrina słoneczne) i inne źródła kosmiczne. Ze źródeł sztucznych najwięcej neutrin powstaje w reaktorach jądrowych.

W celach eksperymentalnych wiązki wysokoenergetycznych neutrin wytwarza się w akceleratorach. Neutrina, jako cząstki neutralne, nie mogą być bezpośrednio przyspieszane w akceleratorach wykorzystujących oddziaływania elektromagnetyczne. Zamiast tego, np. w akceleratorze ośrodka J-PARC^[6] przyspieszane są protony, które następnie oddziałują z tarczą, wytwarzając wiele cząstek nietrwałych: przede wszystkim piony i kaony. Te cząstki rozpadają się w locie, tworząc między innymi neutrina poruszające się w kierunku zbliżonym do kierunku ruchu cząstek pierwotnych. Jedną możliwością ukierunkowania wiązki neutrin do detektora jest odpowiednie skierowanie pierwotnej wiązki protonów na tarczę, oraz ogniskowanie naładowanych pionów i kaonów. Rozważa się wytwarzanie w przyszłości wiązek neutrin poprzez przyspieszanie w akceleratorach jąder beta-promieniotwórczych lub mionów, które rozpadałyby się na neutrina na prostych odcinkach akceleratora^{[potrzebny przypis]}.

Doniesienia o przekroczeniu prędkości światła w próżni

Badacze pracujący przy eksperymencie OPERA, polegającym na pomiarze prędkości wiązki neutrin wysyłanych do odległego o 730 km włoskiego laboratorium INFN Gran Sasso, stwierdzili, że wyniki eksperymentu sugerują przekroczenie prędkości światła w próżni przez neutrina^[7]. CERN ogłosiło 22 września 2011 roku apel do świata nauki o weryfikację ich odkrycia i ewentualne powtórzenie w drodze niezależnych eksperymentów, mających potwierdzić lub obalić te niezgodne ze szczególną teorią względności wyniki.

Wyniki tych niepotwierdzonych eksperymentów stały w sprzeczności z innymi znanymi danymi obserwacyjnymi. Na przykład neutrina powstałe w wybuchu supernowej SN 1987A dotarły na Ziemię trzy godziny wcześniej w stosunku do fotonów (co jest spowodowane tym, że neutrina wydostały się z eksplodującej gwiazdy wcześniej niż fotony). Gdyby neutrina poruszały się z prędkością większą od prędkości światła w próżni, a różnica w prędkości byłaby taka, jaką uzyskano w eksperymencie OPERA, to neutrina z tego wybuchu dotarłyby na Ziemię ponad cztery lata wcześniej, zanim dotarłoby światło^[8].

Po ogłoszeniu wyników eksperymentu wielu skrytykowało sposób jego przeprowadzenia^[9], kilku z naukowców uczestniczących w eksperymencie odmówiło użycia ich nazwisk w ogłoszonych wynikach, uważając, że opublikowana analiza danych jest przedwczesna^[10], sugerowano różne możliwe błędy metodologiczne^[11]. Ostatecznie wynik eksperymentu został wytłumaczony przez nieprawidłowe podłączenie odbiornika GPS do komputera mierzącego czas przelotu cząstek^[12].

Zobacz też

Przypisy

↑ Neutrina, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-30] .
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k Odkrywanie Neutrin [online], www.fuw.edu.pl [dostęp 2021-09-02] .
↑ M. F. L’Annunziata: Radioactivity. Elsevier, 2007, s. 100. ISBN 978-0-444-52715-8. (ang.).
↑ John N.J.N. Bahcall John N.J.N., Aldo M.A.M. Serenelli Aldo M.A.M., SarbaniS. Basu SarbaniS., New Solar Opacities, Abundances, Helioseismology, and Neutrino Fluxes, „The Astrophysical Journal”, 621 (1), 2005, L85–L88, DOI: 10.1086/428929, arXiv:0412440 (ang.).
↑ Ann Finkbeiner: Looking for Neutrinos, Nature's Ghost Particles. Smithsonian Magazine, listopad 2010. [dostęp 2014-10-14]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-01-04)]. (ang.).
↑ The T2K Experiment [online], t2k-experiment.org [dostęp 2017-11-25] (ang.).
↑ Przełomowe odkrycie w CERN otwiera możliwość podróży w czasie?. Wiadomości 24. [dostęp 2012-02-22]. (pol.).
↑ Mariusz Błoński: Próby wyjaśnienia fenomenu neutrino szybszego od światła. Kopalnia Wiedzy. [dostęp 2011-10-18]. (pol.).
↑ Astronomy Without A Telescope – FTL Neutrinos (Or Not). Universe Today. [dostęp 2012-02-22]. (ang.).
↑ Those faster-than-light neutrinos. Four things to think about. Guardian. [dostęp 2012-02-22]. (ang.).
↑ Times of Flight between a Source and a Detector observed from a GPS satelite. arXiv. [dostęp 2012-02-22]. (ang.).
↑ Error Undoes Faster-Than-Light Neutrino Results. ScienceMag, 2012-02-22. [dostęp 2012-02-22]. (ang.).

Linki zewnętrzne

Polskojęzyczne

Joanna Zalipska, Neutrina – cząstki duchy, czy na pewno aż tak nieuchwytne? „Postępy Fizyki”. 67(4), s. 173-177, 2016.
Michał Eckstein, Tańczące neutrina, Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych – Uniwersytet Jagielloński, kanał „Copernicus” na YouTube, 11 maja 2016 [dostęp 2023-04-14].

Anglojęzyczne

NuMI-MINOS Home Page

Nagrania na YouTube [dostęp 2024-08-30]:

Sílvia Bravo Gallart, Why neutrinos matter, kanał TED-Ed, 28 kwietnia 2015.
Don Lincoln, How do you make a neutrino beam?, kanał Fermilabu, 26 marca 2019;
Don Lincoln, How do you detect a neutrino?, kanał Fermilabu, 28 maja 2019.

[1] Neutrina, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-30] .

[:0-2] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k Odkrywanie Neutrin [online], www.fuw.edu.pl [dostęp 2021-09-02] .

[3] M. F. L’Annunziata: Radioactivity. Elsevier, 2007, s. 100. ISBN 978-0-444-52715-8. (ang.).

[4] John N.J.N. Bahcall John N.J.N., Aldo M.A.M. Serenelli Aldo M.A.M., SarbaniS. Basu SarbaniS., New Solar Opacities, Abundances, Helioseismology, and Neutrino Fluxes, „The Astrophysical Journal”, 621 (1), 2005, L85–L88, DOI: 10.1086/428929, arXiv:0412440 (ang.).

[5] Ann Finkbeiner: Looking for Neutrinos, Nature's Ghost Particles. Smithsonian Magazine, listopad 2010. [dostęp 2014-10-14]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-01-04)]. (ang.).

[6] The T2K Experiment [online], t2k-experiment.org [dostęp 2017-11-25] (ang.).

[wiadomosci-7] Przełomowe odkrycie w CERN otwiera możliwość podróży w czasie?. Wiadomości 24. [dostęp 2012-02-22]. (pol.).

[kopalniawiedzy-8] Mariusz Błoński: Próby wyjaśnienia fenomenu neutrino szybszego od światła. Kopalnia Wiedzy. [dostęp 2011-10-18]. (pol.).

[ut-9] Astronomy Without A Telescope – FTL Neutrinos (Or Not). Universe Today. [dostęp 2012-02-22]. (ang.).

[guardian-10] Those faster-than-light neutrinos. Four things to think about. Guardian. [dostęp 2012-02-22]. (ang.).

[arxiv-11] Times of Flight between a Source and a Detector observed from a GPS satelite. arXiv. [dostęp 2012-02-22]. (ang.).

[sciencenews-12] Error Undoes Faster-Than-Light Neutrino Results. ScienceMag, 2012-02-22. [dostęp 2012-02-22]. (ang.).

[1]

Elektrony i dziury	elektron dziura ekscyton trion biekscyton
Fonony i pokrewne	fonon bipolaron polaron polaryton
Separacja spinowo-ładunkowa	holon orbiton spinon
Odpowiedniki cz. elementarnych	anyon fermion Majorany monopol magnetyczny skyrmion
Inne	fazon frakton konfiguron lewiton magnon plazmaron plazmon roton soliton Dawydowa