nauki ścisłe
Autor: Clara Moskowitz | dodano: 2017-10-30
Tajemnice neutrin


























Stoję na pomoście w wielkiej grocie wypełnionej gąszczem instalacji i słucham przewodnika, który wyjaśnia mi, że w ciągu sekundy przez każdy centymetr mojego ciała przelatują na wylot biliony neutrin. Rozkładam szeroko ręce, jakbym chciała jeszcze pogłębić wrażenia, ale oczywiście niczego nie czuję. Neutrina równie łatwo przenikają przez pokaźny metalowy kontener, który dominuje w grocie. Tylko kilka z nich w ciągu doby zderza się z atomami we wnętrzu detektora o wielkości autobusu, inicjując emisję cząstek naładowanych i towarzyszące jej rozbłyski światła, które rejestrują badacze. Fizycy wierzą, że dzięki nim wkroczą na nieznane dotąd terytorium.

Oglądane przeze mnie instalacje to część eksperymentu NuMI Off-Axis Electron Neutrino Appearance(NOvA), która znajduje się w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) w Batawii w Illinois. Podobny, ale większy detektor, ukryty pod ziemią, 800 km stąd w Minnesocie, wychwytuje neutrina, które przeszły przez pierwszy detektor i dzielącą detektory skorupę ziemską.

Prowadzony od 2014 roku eksperyment NOvA z parą najbardziej odległych dziś detektorów neutrin to zarazem wstęp do znacznie większego przedsięwzięcia: Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). W Fermilab ma znajdować się źródło neutrin: protony przyspieszane w akceleratorze będą bombardować tarczę grafitową. Następnie wiązka neutrin pokona drogę 1300 km dzielącą Illinois od Dakoty Południowej. Dodatkowe 500 km powinno zwiększyć szansę zaobserwowania niezwykłych właściwości neutrin.

DUNE to bez wątpienia najbardziej ambitne przedsięwzięcie w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych w Stanach Zjednoczonych od rezygnacji w latach 90. z budowy akceleratora Superconducting Super Collider (SSC). Eksperyment, którego koszty są szacowane na 1,5 mld dolarów, ma być uruchomiony w latach 2020. i potrwać co najmniej dwie dekady. Zainteresowanie nim wykracza daleko poza Stany Zjednoczone; w przygotowaniach uczestniczy już 1000 naukowców z 30 krajów i liczby te stale rosną. To największy na świecie projekt w fizyce neutrin. Po raz pierwszy zdarza się też, że największe europejskie laboratorium cząstek elementarnych, CERN koło Genewy, zainwestuje w eksperyment na innym kontynencie. Naukowcy mają nadzieję, że DUNE umożliwi nam znacznie głębsze zrozumienie Wszechświata, tak samo jak Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider – LHC) w CERN i odkrycie za jego pomocą w 2012 roku bozonu Higgsa potwierdziło istnienie ukrytych pól w kosmosie. „Chcemy osiągnąć dla neutrin to samo, co zderzacz LHC uczynił dla bozonu Higgsa – wyjaśnia Mark Thomson, pełen energii Brytyjczyk z University of Cambridge, który jest jednym z rzeczników DUNE. – Wierzymy, że stoimy na progu kolejnej wielkiej rewolucji w fizyce cząstek elementarnych.”

Badaniom neutrin towarzyszą tak nadzwyczajne oczekiwania, ponieważ wyłamują się one z Modelu Standardowego, najdoskonalszego dotąd opisu świata cząstek elementarnych i oddziaływań pomiędzy nimi. Zgodnie z Modelem Standardowym, który z nadzwyczajną precyzją przewiduje właściwości pozostałych cząstek, neutrina powinny być nieważkie. Tak też wydawało się aż do momentu, kiedy około 15 lat temu eksperymenty w Japonii i Kanadzie wykazały, że neutrina mają niezwykle małą, ale różną od zera masę. Co więcej, masa neutrin ma prawdopodobnie inne źródła niż masa pozostałych cząstek. Spekuluje się, że ich masa to efekt nowej fizyki, czyli cząstek, sił i zjawisk we Wszechświecie, których naukowcy jeszcze nie odkryli.

Na przestrzeni ostatnich lat neutrina coraz częściej są postrzegane jako obiecujący pomost do nowych odkryć, ponieważ inne wysiłki w tym kierunku spełzły na niczym. LHC nie doprowadził do odkrycia jakichkolwiek cząstek spoza Modelu Standardowego. Również wysiłki eksperymentatorów usiłujących odkryć cząstki ciemnej materii, źródła niewidzialnej masy dominującej we Wszechświecie, spełzły na niczym. „Wiemy, że Model Standardowy nie jest kompletny i są zjawiska, których nie obejmuje, ale na razie ich nie znamy – wyjaśnia Stephen Parke, fizyk badający neutrina w Fermilabie. – Niektórzy badacze wiążą swą przyszłość z LHC. Inni stawiają na neutrina.”

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 11/2017 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
18
W 1897 r. urodził się Patrick Maynard Stuart Blackett, brytyjski fizyk, laureat Nagrody Nobla.
Warto przeczytać
Historia Polski pełna jest mitów, półprawd, przemilczeń i niedomówień. Różne jej wątki bywały w ciągu wieków retuszowane, poprawiane i wygładzane, by w końcu przybrać postać miłej dla ucha opowieści – stawały się narodowymi mitami.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Clara Moskowitz | dodano: 2017-10-30
Tajemnice neutrin


























Stoję na pomoście w wielkiej grocie wypełnionej gąszczem instalacji i słucham przewodnika, który wyjaśnia mi, że w ciągu sekundy przez każdy centymetr mojego ciała przelatują na wylot biliony neutrin. Rozkładam szeroko ręce, jakbym chciała jeszcze pogłębić wrażenia, ale oczywiście niczego nie czuję. Neutrina równie łatwo przenikają przez pokaźny metalowy kontener, który dominuje w grocie. Tylko kilka z nich w ciągu doby zderza się z atomami we wnętrzu detektora o wielkości autobusu, inicjując emisję cząstek naładowanych i towarzyszące jej rozbłyski światła, które rejestrują badacze. Fizycy wierzą, że dzięki nim wkroczą na nieznane dotąd terytorium.

Oglądane przeze mnie instalacje to część eksperymentu NuMI Off-Axis Electron Neutrino Appearance(NOvA), która znajduje się w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) w Batawii w Illinois. Podobny, ale większy detektor, ukryty pod ziemią, 800 km stąd w Minnesocie, wychwytuje neutrina, które przeszły przez pierwszy detektor i dzielącą detektory skorupę ziemską.

Prowadzony od 2014 roku eksperyment NOvA z parą najbardziej odległych dziś detektorów neutrin to zarazem wstęp do znacznie większego przedsięwzięcia: Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). W Fermilab ma znajdować się źródło neutrin: protony przyspieszane w akceleratorze będą bombardować tarczę grafitową. Następnie wiązka neutrin pokona drogę 1300 km dzielącą Illinois od Dakoty Południowej. Dodatkowe 500 km powinno zwiększyć szansę zaobserwowania niezwykłych właściwości neutrin.

DUNE to bez wątpienia najbardziej ambitne przedsięwzięcie w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych w Stanach Zjednoczonych od rezygnacji w latach 90. z budowy akceleratora Superconducting Super Collider (SSC). Eksperyment, którego koszty są szacowane na 1,5 mld dolarów, ma być uruchomiony w latach 2020. i potrwać co najmniej dwie dekady. Zainteresowanie nim wykracza daleko poza Stany Zjednoczone; w przygotowaniach uczestniczy już 1000 naukowców z 30 krajów i liczby te stale rosną. To największy na świecie projekt w fizyce neutrin. Po raz pierwszy zdarza się też, że największe europejskie laboratorium cząstek elementarnych, CERN koło Genewy, zainwestuje w eksperyment na innym kontynencie. Naukowcy mają nadzieję, że DUNE umożliwi nam znacznie głębsze zrozumienie Wszechświata, tak samo jak Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider – LHC) w CERN i odkrycie za jego pomocą w 2012 roku bozonu Higgsa potwierdziło istnienie ukrytych pól w kosmosie. „Chcemy osiągnąć dla neutrin to samo, co zderzacz LHC uczynił dla bozonu Higgsa – wyjaśnia Mark Thomson, pełen energii Brytyjczyk z University of Cambridge, który jest jednym z rzeczników DUNE. – Wierzymy, że stoimy na progu kolejnej wielkiej rewolucji w fizyce cząstek elementarnych.”

Badaniom neutrin towarzyszą tak nadzwyczajne oczekiwania, ponieważ wyłamują się one z Modelu Standardowego, najdoskonalszego dotąd opisu świata cząstek elementarnych i oddziaływań pomiędzy nimi. Zgodnie z Modelem Standardowym, który z nadzwyczajną precyzją przewiduje właściwości pozostałych cząstek, neutrina powinny być nieważkie. Tak też wydawało się aż do momentu, kiedy około 15 lat temu eksperymenty w Japonii i Kanadzie wykazały, że neutrina mają niezwykle małą, ale różną od zera masę. Co więcej, masa neutrin ma prawdopodobnie inne źródła niż masa pozostałych cząstek. Spekuluje się, że ich masa to efekt nowej fizyki, czyli cząstek, sił i zjawisk we Wszechświecie, których naukowcy jeszcze nie odkryli.

Na przestrzeni ostatnich lat neutrina coraz częściej są postrzegane jako obiecujący pomost do nowych odkryć, ponieważ inne wysiłki w tym kierunku spełzły na niczym. LHC nie doprowadził do odkrycia jakichkolwiek cząstek spoza Modelu Standardowego. Również wysiłki eksperymentatorów usiłujących odkryć cząstki ciemnej materii, źródła niewidzialnej masy dominującej we Wszechświecie, spełzły na niczym. „Wiemy, że Model Standardowy nie jest kompletny i są zjawiska, których nie obejmuje, ale na razie ich nie znamy – wyjaśnia Stephen Parke, fizyk badający neutrina w Fermilabie. – Niektórzy badacze wiążą swą przyszłość z LHC. Inni stawiają na neutrina.”