Neutrina to nieuchwytne cząstki subatomowe powstające w wielu różnych procesach jądrowych. Ich nazwa, która oznacza „małe neutralne”, odnosi się do faktu, że nie posiadają one ładunku elektrycznego. Z czterech podstawowych sił we wszechświecie neutrina oddziałują tylko z dwoma – grawitacją i siłą słabą, która odpowiada za rozpad radioaktywny atomów. Nie mając prawie żadnej masy, mkną przez kosmos niemal z prędkością światła.
Niezliczone neutrina powstały w ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu. A nowe neutrina powstają cały czas: w jądrowych sercach gwiazd, w akceleratorach cząstek i reaktorach atomowych na Ziemi, podczas wybuchowego kolapsu supernowych i podczas rozpadu pierwiastków radioaktywnych. Oznacza to, że we wszechświecie jest średnio 1 miliard razy więcej neutrin niż protonów, jak twierdzi fizyk Karsten Heeger z Uniwersytetu Yale w New Haven, Connecticut.
Pomimo swojej wszechobecności neutrina w dużej mierze pozostają zagadką dla fizyków, ponieważ cząstki te są tak trudne do uchwycenia. Neutrina przepływają przez większość materii tak, jakby były promieniami światła przechodzącymi przez przezroczyste okno, ledwie oddziałując ze wszystkim innym, co istnieje. Około 100 miliardów neutrin przechodzi w tej chwili przez każdy centymetr kwadratowy twojego ciała, ale ty nic nie czujesz.
Odkrywanie niewidzialnych cząstek
Neutrina zostały po raz pierwszy uznane za odpowiedź na naukową zagadkę. Pod koniec XIX wieku badacze zastanawiali się nad zjawiskiem zwanym rozpadem beta, w którym jądro atomu spontanicznie emituje elektron. Rozpad beta zdawał się naruszać dwa podstawowe prawa fizyczne: zachowania energii i zachowania pędu. W rozpadzie beta końcowa konfiguracja cząstek wydawała się mieć nieco za mało energii, a proton stał w miejscu, zamiast być wybijanym w przeciwnym kierunku niż elektron. Dopiero w 1930 r. fizyk Wolfgang Pauli zaproponował pomysł, że z jądra może wylatywać dodatkowa cząstka, niosąca ze sobą brakującą energię i pęd.
„Zrobiłem straszną rzecz. Zaproponowałem cząstkę, której nie da się wykryć” – powiedział Pauli przyjacielowi, odnosząc się do faktu, że jego hipoteza o neutrinie była tak upiorna, że prawie nie oddziaływałaby z niczym i miałaby niewielką lub żadną masę.
Ponad ćwierć wieku później fizycy Clyde Cowan i Frederick Reines zbudowali detektor neutrin i umieścili go na zewnątrz reaktora atomowego w elektrowni Savannah River w Karolinie Południowej. Ich eksperymentowi udało się uchwycić kilka z setek bilionów neutrin, które wylatywały z reaktora, a Cowan i Reines z dumą wysłali Pauliemu telegram informujący go o potwierdzeniu. Reines zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1995 roku – w tym czasie Cowan już nie żył.
Od tego czasu neutrina nieustannie przeczą oczekiwaniom naukowców.
Słońce wytwarza kolosalne ilości neutrin, które bombardują Ziemię. W połowie XX wieku naukowcy zbudowali detektory do poszukiwania tych neutrin, ale ich eksperymenty wciąż wykazywały rozbieżności, wykrywając tylko około jednej trzeciej neutrin, które były przewidywane. Albo coś było nie tak z modelami Słońca astronomów, albo działo się coś dziwnego.
Fizycy w końcu zdali sobie sprawę, że neutrina prawdopodobnie występują w trzech różnych smakach, czyli typach. Zwykłe neutrino nazywane jest neutrinem elektronowym, ale istnieją również dwa inne smaki: neutrino mionowe i neutrino taonowe. Przechodząc przez dystans pomiędzy Słońcem a naszą planetą, neutrina oscylują pomiędzy tymi trzema typami, dlatego też wczesne eksperymenty – które zostały zaprojektowane do poszukiwania tylko jednego smaku – nie wykryły dwóch trzecich ich całkowitej liczby.
Ale tylko cząstki posiadające masę mogą podlegać tej oscylacji, co zaprzecza wcześniejszym pomysłom, że neutrina były bezmasowe. Choć naukowcy wciąż nie znają dokładnej masy wszystkich trzech neutrin, eksperymenty wykazały, że najcięższe z nich musi być co najmniej 0,0000059 razy mniejsze od masy elektronu.
Nowe zasady dla neutrin?
W 2011 roku badacze z włoskiego eksperymentu Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) wywołali światową sensację ogłaszając, że wykryli neutrina podróżujące szybciej niż prędkość światła – co miało być rzekomo niemożliwym przedsięwzięciem. Wyniki, choć szeroko opisywane w mediach, zostały przyjęte z dużym sceptycyzmem przez społeczność naukową. Niecały rok później fizycy zdali sobie sprawę, że wadliwe okablowanie imitowało znalezisko szybsze od światła, a neutrina powróciły do sfery cząstek kosmicznie praworządnych.
Ale naukowcy wciąż muszą się wiele nauczyć o neutrinach. Ostatnio badacze z Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) koło Chicago dostarczyli przekonujących dowodów na to, że wykryli nowy typ neutrina, zwany neutrinem sterylnym. Takie odkrycie potwierdza wcześniejszą anomalię zaobserwowaną w Detektorze Neutrin w Ciekłym Scyntylatorze (LSND), eksperymencie w Narodowym Laboratorium Los Alamos w Nowym Meksyku. Sterylne neutrina podważyłyby całą znaną fizykę, ponieważ nie pasują do tak zwanego Modelu Standardowego, który wyjaśnia prawie wszystkie znane cząstki i siły z wyjątkiem grawitacji.
Jeśli nowe wyniki MiniBooNE się utrzymają, „to byłoby coś wielkiego; to wykracza poza Model Standardowy; wymagałoby nowych cząstek … i zupełnie nowych ram analitycznych”, powiedziała Live Science fizyk cząstek Kate Scholberg z Duke University.