Το μυστήριο των Νετρίνων φτάνει στη λύση του

Της Αστροφυσικού Ελένης Χατζηχρήστου

Η πρόσφατη ανακάλυψη του πειράματος νετρίνων στον αντιδραστήρα Daya Bay της Κίνας εκτιμάται οτι προσφέρει το κλειδί για την κατανόηση των νετρίνων με τις πολλαπλές ταυτότητες. Το μυστήριο του πώς τα νετρίνα μετασχηματίζονται από μια μορφή σε άλλη και τελικά πώς και γιατί υπάρχει ύλη στο Σύμπαν, φαίνεται ότι πλησιάζει στη λύση του.

Πράγματι βασικές φυσικές θεωρίες προβλέπουν ότι λίγο μετά τη γέννηση του Σύμπαντος δημιουργήθηκε ασυμμετρία ύλης-αντιύλης υπό την προϋπόθεση της παραβίασης της συμμετρίας φορτίου-ομοτιμίας (CP violation). Η πρόσφατη ανακάλυψη μιας νέου είδους ταλάντωσης των νετρίνων, και μάλιστα αρκετά μεγάλης, είναι αποφασιστική για την κατανόηση της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης στο Σύμπαν και ανοίγει το δρόμο για την εξήγηση του γιατί τελικά υπάρχουμε.

Το εσωτερικό του κυλινδρικού ανιχνευτή αντινετρίνων

όπως είναι προτού γεμίσει με ένα διαφανή υγρό σπινθηριστή.

Καθώς τα αντινετρίνα αλληλεπιδρούν εκπέμπουν ασθενείς λάμψεις

οι οποίες ενισχύονται και τελικά καταγράφονται από

τους εξαιρετικά ευαίσθητους φωτοπολλαπλασιαστές

που κατακλύζουν τα εσωτερικά τοιχώματα του ανιχνευτή

(Credit: Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory).

 Αρχικά τα νετρίνα  θεωρούνταν σωματίδια μηδενικής μάζας και ουδέτερου φορτίου που, καθώς διανύουν το Σύμπαν κινούμενα με την ταχύτητα του φωτός, αλληλεπιδρούν τόσο αμυδρά με άλλα είδη ύλης ώστε μπορούν να διαπεράσουν ολόκληρη τη Γη ανεμπόδιστα χωρίς να γίνουν αντιληπτά. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες πολλά πειράματα έδειξαν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα έστω και πολύ μικρή (το ένα χιλιοστό της μάζας του ηλεκτρονίου) και αλλάζουν ταυτότητα παλινδρομώντας ανάμεσα σε τρεις διαφορετικούς τύπους, ή ¨γεύσεις¨ όπως λέγονται: τα νετρίνα ηλεκτρονίου, τα μιόνια και τα νετρίνα ταυ. Κάθε γεύση είναι μια σύνθεση τριών διαφορετικών μαζών που μεταβάλλονται με το χρόνο, ακριβώς όπως το λευκό φως αποτελείται από ένα συνδυασμό χρωμάτων. Και όπως  η αλλαγή της αναλογίας μεταξύ χρωμάτων έχει σαν αποτέλεσμα την αλλαγή της τελικής απόχρωσης έτσι και η αλλαγή της αναλογίας μεταξύ μαζών έχει σαν αποτέλεσμα μια διαφορετική γεύση του νετρίνου.

Η καταγραφή της αλληλεπίδρασης ενός μιονίου

στον ανιχνευτή Super-Kamiokande

(Credit: Super-Kamiokande Collaboration). 

Μετά την εκπομπή τους τα νετρίνα ταξιδεύουν στο διάστημα και μετασχηματίζονται («ταλαντώνονται» όπως λέμε) από τον ένα τύπο στον άλλο, κάτι το οποίο δεν είναι εύκολο να προσδιορίσουμε παρά μόνο κατά την επόμενη μέτρηση-αλληλεπίδρασή τους με έναν ανιχνευτή. Οι τρεις αριθμοί που περιγράφουν τις ταλαντώσεις των νετρίνων από τη μία γεύση στην άλλη ονομάζονται γωνίες μίξης. Οι δύο μεγαλύτερες εξ' αυτών έχουν μετρηθεί στη διάρκεια πρότερων πειραμάτων, όπου οι ανιχνευτές είχαν τοποθετηθεί σε απόσταση  εκατοντάδων χιλιομέτρων από την πηγή νετρίνων. Η περίοδος ταλάντωσης που σχετίζεται με την τρίτη γωνία μίξης αναμενόταν να είναι τόσο μικρή που χρειαζόταν ένα πείραμα πολύ μικρότερης κλίμακας όπως αυτό της συνεργασίας Daya Bay για να την προσδιορίσει.

 

Ο ανιχνευτής Argon Neutrino Test Detector

του Fermilab όταν κατέγραψε την πρώτη

αλληλεπίδραση νετρίνων

(Credit: ArgoNeuT Collaboration).

 Το πείραμα στις πυρηνικές εγκαταστάσεις Daya Bay της επαρχίας Guangdong στην Κίνα κοντά στο Hong Kong, είναι μια από τις μεγαλύτερες συνεργασίες μεταξύ ΗΠΑ, Κίνας, Τσεχίας, Hong Kong, Ρωσίας και Ταιβάν. Οι επιστήμονες εγκατέστησαν έξι υπόγειους κυλινδρικούς ανιχνευτές στα γύρω βουνά εκ των οποίων οι τρείς απέχουν μόλις 500 μέτρα και οι άλλοι τρεις 1700 μέτρα από τις πυρηνικές εγκαταστάσεις.

Οι έξι αντιδραστήρες του πειράματος εκπέμπουν ένα είδος αντινετρίνων (αντινετρίνα ηλεκτρονίου) τα οποία καταγράφουν οι έξι υπόγειοι κυλινδρικοί ανιχνευτές, που περιέχουν έναν υγρό σπινθηριστή με τον οποίο τα αντινετρίνα αλληλεπιδρούν εκπέμποντας μια ασθενή μπλε λάμψη. Μερικά από τα αντινετρίνα που εκπέμπονται από τους αντιδραστήρες αλλάζουν γεύση καθώς ταξιδεύουν. Έτσι η ροή αντινετρίνων που μετράμε σε απόσταση 1700 μέτρων από τον αντιδραστήρα είναι μικρότερη από εκείνη που ανιχνεύουμε σε απόσταση μόλις 500 μέτρων. Αυτή η διαφορά επιτρέπει στους επιστήμονες να υπολογίσουν την γωνία πρόσμιξης θ13, την τελευταία από τις τρείς που χρειάζονται για την ερμηνεία της συμπεριφοράς των νετρίνων και ειδικότερα της αλλαγής γεύσης που υφίστανται.

Οι έξι αντιδραστήρες του Daya Bay αποδίδουν τρισεκατομμύρια αντινετρίνων ηλεκτρονίου κάθε δευτερόλεπτο εκ των οποίων οι έξι ανιχνευτές κατέγραψαν δεκάδες χιλιάδες την περίοδο μεταξύ 24/12/2011 και 17/02/2012. Αυτός ο ρυθμός αλληλεπίδρασης είναι μεγαλύτερος από εκείνον που σημειώθηκε σε τρία ανταγωνιστικά πειράματα στη Γαλλία, Νότια Κορέα και Ιαπωνία. Οι υπεύθυνοι του πειράματος επισημαίνουν ότι χρειάζονται ακόμη δύο ανιχνευτές για να ολοκληρωθεί το πείραμα, παρ' ολ' αυτά είναι γεγονός ότι αυτό είχε ως τώρα απόλυτη επιτυχία καθώς οι επιστήμονες θεωρούν ότι η πιθανότητα τα αποτελέσματα αυτά να προήλθαν από τύχη είναι μικρότερη της μιας στα 3.5 δισεκατομμύρια.

Ο ανιχνευτής Cerenkov του πειράματος

Super-Kamiokande στην Ιαπωνία, το οποίο

αποτελείται από ένα τεράστιο δοχείο που

μπορεί να χωρέσει ως και 50,000 τόνους νερού

(Credit: Kamioka Observatory, ICRR

(Institute for Cosmic Ray Research),

The University of Tokyo).

 Είναι αλήθεια ότι πέρυσι οι επιστήμονες του πειράματος νετρίνων Τ2Κ στην Ιαπωνία είχαν βρει ενδείξεις για την ταλάντωση νετρίνων με τρόπο ώστε να μπορούν να υπολογίσουν την θ13, αλλά δυστυχώς το πείραμα διακόπηκε λόγω του σεισμού και του κύματος τσουνάμι που κτύπησε τη χώρα στις 11 Μαρτίου 2011. Έτσι άνοιξε ο δρόμος για την επιτυχία του Daya Bay.

πηγή