Živimo u despotiji. Ona ume da bude zanosna, baš kao miris sopstvenog prdeža, čak i kada ukazuje na zatvor… ili proliv. Večeras vam nudim sliku boljeg sveta, onog koji radoznalost ne izjednačava sa naivnošću, smeštenog udobno daleko od nas. Priča o ovogodišnjim laureatima Nobelove nagrade za fiziku ima mnogo veze sa vodom, ali to, srećom, nije ovdašnja voda. Uživajte.
Rešili su slagalicu neutrina i otvorili novo prostranstvo u fizici čestica. Takaji Kajita (Takaaki Kajita) i Artur B. Mekdonald (Arthur B. McDonald) su bili ključni naučnici u dve velike istraživačke grupe, Super-Kamiokande i Opservatoriji neutrina Sudberi (Sudbury Neutrino Observatory, ONS), koje su otkrile metamorfozu neutrina.
Lov je trajao – duboko u Zemljinoj utrobi u gigantskim postrojenjima gde su hiljade veštačkih očiju čekale pravi trenutak da otkriju tajne neutrina. Godine 1998. Takaki Kajita je izložio otkriće po kome izgleda kako neutrini prolaze metamorfozu; oni menjaju identitet tokom svog puta ka detektorima Super-Kamiokande u Japanu. Tamo hvatani neutrini su nastajali tokom sudara kosmičkih zraka sa česticama Zemljine atmosfere.
Za to vreme, na drugoj strani sveta, naučnici u Opservatoriji neutrina Sadberi u Kanadi (ONS) su proučavali neutrine koji nam stižu sa Sunca. Godine 2001, grupa istraživača koju je vodio Arthur B. McDonald je dokazala da i ovi neutrini menjaju identitet.
Zajedno, ova dva eksperimenta su otkrila novu pojavu – oscilacije neutrina. Dalekosežni zaključak ovih eksperimenata je da neutrino, dugo vremena smatran česticom bez mase, mora da ima masu. Ovaj je zaključak od strahovitog značaja za fiziku čestica i za naše razumevanje kosmosa.
Heroji iz nehata
Živimo u svetu neutrina. Hiljade milijardi neutrina prolaze kroz naše telo svake sekunde. Ne možemo da ih vidimo i ne možemo da ih osetimo. Neutrini zuje kroz prostor takoreći brzinom svetlosti i jedva da ikada interaguju sa materijom. Odakle oni dolaze?
Neki su stvoreni već tokom Velikog Praska, drugi se stalno stvaraju u različitim procesima u svemiru i na Zemlji – od eksplodirajućih supernova, smrti masivnih zvezda, do reakcija u nuklearnim elektranama i u prirodno-događajućim radioaktivnim raspadima. Čak i u našim telima svake sekunde nastaje u proseku oko pet hiljada neutrina tokom raspada izotopa kalijuma. Većina neutrina koji stignu do Zemlje potiču iz nuklearnih reakcija unutar Sunca. Prevaziđeni samo česticama svetlosti, fotonima, neutrini su druge najbrojnije čestice u celom kosmosu.
No, dugo vremena njihovo postojanje nije bilo izvesno. Naprotiv: kada je Austrijanac Volfgang Pauli (Wolfgang Pauli, dobitnik Nobelove nagrade 1945. godine) predložio njihovo postojanje, to je učinjeno uglavnom u očajničkom pokušaju da se objasni održanje energije tokom beta raspada, jednoj vrsti radioaktivnog raspada u jezgru atoma. U decembru 1930. godine Pauli je napisao pismo svojim kolegama fizičarima kojima se obratio rečima Dragi radioaktivni dame i gospodo. U ovom pismu je on predložio da deo energije odnosi električni neutralna, veoma lagana i slabo interagujuća čestica. Pauli je lično jedva verovao u postojanje ovakve čestice. Kažu da je izjavio: Učinio sam užasnu stvar, pretpostavio sam česticu koja se ne može detektovati.
Uskoro je Italijan Enriko Fermi (Enrico Fermi, dobitnik Nobelove nagrade 1938. godine) priložio elegantnu teoriju koja je uključivala Paulijevu laganu, neutralnu česticu. Ona je nazvana neutrino. Niko nije mogao da pretpostavi da će ova sićušna čestica dovesti do revolucije i u fizici čestica i u kosmologiji.
Trebalo da je prođe još četvrt veka pre nego što je neutrino zaista i otkriven. Prilika se ukazala sredinom prošlog veka, kada su neutrini počeli da u velikom broju pristižu iz, tada građenih, nuklearnih elektrana. U junu 1956. godine dva američka fizičara, Frederik Rene (Frederick Reines, dobitnik Nobelove nagrade 1995. godine) i Klajd Kovan (Clyde Cowan), poslali su telegram Volfgangu Pauliju – neutrini su ostavili trag u njihovim detektorima. Otkriće je pokazalo da avetinjski neutrino, nazvan i Poltergejst, jeste stvarna čestica.
Jedinstvena trojka
Ovogodišnja Nobelova nagrada iz fizike nagrađuje otkriće koje je kojim je rešena dugogodišnja zagonetka neutrina. Od1960-ih, naučnici su teorijski izračunali broj neutrina koji se stvaraju tokom nuklearnih reakcija koje čine da Sunce sija, ali su dve trećine izračunate količine nedostajale tokom merenja na Zemlji. Gde su neutrini odlazili?
Predloga rešenja problema, sa svoje strane, nije nedostajalo. Možda nešto nije bilo u redu sa teorijskim izračunavanjima načina na koji Sunce stvara neutrina? Jedna od sugestija je bila i da neutrini menjaju identitet. Po Standardnom modelu fizike čestica postoje tri tipa neutrina – elektron-neutrini, mion-neutrini i tau-neutrini. Svaki pobrojani ima svog naeletrisanog drugara: elektron, kao i dva mnogo teža i kraćeživeća rođaka, mion i tau. Sunce stvara jedino elektron-neutrina. No ako bi se oni pretvorili u mion-neutrina ili tau-neutrina tokom puta ka Zemlji, to bi objasnilo manjak uhvaćenih elektron-neutrina.
Podzemni lov na neutrina
Nagađanja o identitetu neutrina su ostala samo nagađanja sve dok veća i finija postrojenja nisu počela sa radom. Danju i noću, neutrini su hvatani u ogromne detektore, izgrađene duboko pod zemljom da bi se zaštitili od kosmičkog zračenja iz svemira i od spontanih radioaktivnih raspada u okruženju. Da, teskobna je umetnost razdvojiti par pravih neutrina od milijardi lažnih. Čak je i vazduh u rudnicima, kao i materijal detektora, sadržavao prirodno postojeće tragove elemenata koji se raspadaju i utiču na merenja.
Super-Kamiokande je pušten u rad 1996. godine u rudniku cinka, oko 250 kilometara severozapadno od Tokija, dok je Opservatorija neutrina Sadberi , napravljena u rudniku nikla u Ontariju, započela osmatranja 1999. godine. One su zajedno razotkrile kameleonoliku prirodu neutrina, što je otkriće koje je nagrađeno ovogodišnjom Nobelovom nagradom za fiziku.
Super-Kamiokande je ogromni detektor, izgrađen na hiljadu metara ispod Zemljine površine. Sastoji se od rezervoara širokog i visokog 40 metara, napunjenog sa 50 hiljada tona vode. Voda je toliko čista da zraci svetlosti mogu da putuju sedamdeset metara pre nego što se njihov intenzitet prepolovi, u poređenju sa tek par metara iz običnog bazena za plivanje. Više od 11 hiljada svetlosnih detektora su postavljeni na vrhu, stranicama i dnu rezervoara, sa zadatkom da otkriju, pojačaju i izmere veoma slabe bljeske svetlosti sa super-čiste vode.
Velika većina neutrina prolazi pravo kroz rezervoar, ali tek ponekad, neutrino se sudara sa atomskim jezdrom ili elektronom u vodi. Oko naelektrisanih čestica nastaju jedva primetni bljesci plavog svetla. To je Čerenkovljeva svetlost, koja nastaje kada čestica putuje brzinom većom od brzine svetlosti. Ovo nije u sukobu sa Ajnštajnovom teorijom relativnosti, koja kaže da ništa ne može da se kreće brže od svetlosti u vakuumu. U vodi, svetlost je usporena do 75% svoje maksimalne brzine, pa je druge čestice mogu „prestići“. Oblik i veličina Čerenkovljeve svetlosti određuje koji tip neutrina je izazvao, kao i odakle neutrino dolazi.
Rešenje zagonetke
Tokom prve dve godine svog rada, Super-Kamiokande je prosejao oko pet hiljada signala neutrina. Ovo je bio znatno bolji rezultat u odnosu na prethodne eksperimente, ali još uvek manje nego što je očekivano procenom količine neutrina koju stvara kosmičko zračenje. Čestice kosmičkog zračenja dolaze iz svih pravaca svemira i kada se punom brzinom sudare sa česticama Zemljine atmosfere, stvara se kiša neutrina.
Super-Kamiokande je uhvatio mion-neutrina koji dolaze pravo iz atmosfere iznad, kao i one koji su pogađali detektor odozdo, pošto su prošli čitavu Zemlju. Trebalo bi da postoji jednak broj neutrina koji dokaze iz ova dva smera; Zemlja im ne predstavlja posebnu prepreku. Ali mion-noutrina koji su stizali odozgo naniže u Super-Kamiokande bilo je značajno više nego onih koji su prolazili kroz Zemlju.
Ovo je ukazivalo da su mion-neutrini koji su putovali duže imali više vremena da dožive promenu identiteta, što nije bio slučaj sa mion-neutrinima koji su stizali odozgo i putovali tek dvadesetak kilometara. Pošto je broj eletron-neutrina koji su stizali iz svih smerova bio u okvirima očekivanja, mion-neutrini su morali da se pretvore u tau-neutrina. No, njihov prolazak nije detektovan.
Konačni deo slagalice je stigao kada je Opservatorija neutrina, ONS, izvela merenja neutrina koji stižu iz Sunca, gde nuklearni procesi rađaju jedino elektron-neutrina. Dva kilometra ispod Zemljine površine, brišuće eletron-neutrine pratilo je 9500 svetlosnih detektora u rezervoaru napunjenom sa 1000 tona teške vode. Ona je različita od obične vode po tome što svaki atom vodonika u molekulima vode ima dodatni neutron u jezgru, stvarajući vodonikov izotop deuterijum.
Deuterijumovo jezgro daje dodatne mogućnosti sudara neutrina u detektoru. Neke reakcije su mogle da odrede samo količinu eletron-neutrina, dok su druge omogućavale naučnicima da mere količinu sva tri tipa neutrina zajedno, bez međusobnog razlikovanja.
Pošto je očekivano da jedino elektron-neutrini stignu sa Sunca, oba načina merenja je trebalo da dovedu do istog rezultata. Dakle, ako je broj detektovanih elektron-neutrina bio manji od sva tri tipa neutrina zajedno, to bi značilo da se nešto dešava sa eletron-neutrinima tokom njihovog, 150 miliona kilometara dugog, puta iz Sunca.
Od preko 60 milijardi neutrina po kvadratnom centimetru koji svake sekunde dosegnu Zemlju na svom putu iz Sunca, ONS je hvatala tek tri dnevno u prve dve godine svog rada. Ovo je odgovaralo tek trećini očekivanog broja elektron-neutrina koji bi detektor trebalo da uhvati. Dve trećine su nestale. Ukupna količina, pak, ako brojimo sve tri vrste neutrina zajedno, odgovarala je očekivanom broju neutrina. Zaključak je da su elektron-neutrini morali da promene identitet tokom puta.
Metamorfoze u kvantnom svetu
Dva eksperimenta su potvrdila sumnje da neutrini mogu da promene identitet. Otkriće je podstaklo mnoge nove eksperimente i nateralo teoretičare fizike čestica da razmišljaju na nove načine.
Zajedno, ova dva eksperimenta su podstakla strahoviti zaključak: metamorfoza neutrina zahteva da neutrini imaju masu. U suprotnom ne bi mogli da se menjaju. Otkud, onda, ova metamorfoza?
Za objašnjenje ove magije neophodna je kvantna fizika. U kvantnom svetu, čestica i talas su različiti oblici istog fizičkog stanja. Čestica određene energije je opisana odgovarajućim talasom određene frekvencije. U kvatntoj fizici se elektron-, mion- i tau-neutrini opisuju superponiranim talasima koji odgovaraju stanjima neutrina sa različitim masama.
Kada su talasi u fazi nije moguće razlikovati različita stanja neutrina. Ali kada neutrini putuju kroz prostor talasi se fazno pomeraju. Tokom puta talasi se superponiraju na različite načine. Superpozicija u bilo kojoj lokaciji vodi ka verovatnoći po kojoj će se neki tip neutrina najverovatnije naći. Verovatnoće se razlikuju od lokacije do lokacije, one osciluju, a neutrini se pojavljuju sa različitim identitetima.
Neobično ponašanje je stoga posledica različitim masa neutrina. Esperimenti ukazuju da su razlike strahovito male. Masa neutrina je procenjeno veoma mala, iako nikada nije direktno izmerena. Ipak, pošto neutrini postoje u ogromnom broju u kosmosu, zbir njihovih malih masa može biti značajan. Procenjeno je da je zajednička masa svih neutrina otprilike jednaka zbiru masa svih vidljivih zvezda u kosmosu.
Kapija ka novoj fizici
Otkriće mase neutrina bilo je ključno za fiziku čestica. Njen Standardni model gradivnih delova materije bio je izuzetno uspešan i tokom više od dvadeset godina je izdržao sva eksperimentalna iskušenja. Ali ovaj model zahteva da neutrino nema masu. Eksperimenti su stoga otkrili prvu očiglednu pukotinu u Standardnom modelu. Postalo je jasno da Standardni model ne može biti potpuna teorija o načinu na koji funkcionišu osnovni delovi kosmosa.
Na nekoliko se ključnih pitanja o prirodi neutrina mora odgovoriti pre nego što stvorimo novu teoriju koja će naslediti Standardni model. Kolike su mase neutrina? Zašto je toliko lagan? Postoji li još tipova neutrina? Jesu li neutrini sami sebi antičestice? Zašto se toliko razlikuju od ostalih čestica?
Otkriće koje je ove godine nagrađeno Nobelovom nagradom iz fizike dovelo je do kritičnih saznanja o takoreći potpuno skrivenom svetu neutrina. Eksperimenti se nastavljaju i pojačavaju se napori u smeru upoznavanja osobina neutrina. Očekujemo da će nova otkrića neutrinovih dobro skrivanih tajni promeniti naše razumevanje istorije, strukture i buduće sudbine kosmosa.
***
Originalni tekst, popularni tekst objašnjenja Nobelove nagrade za fiziku za 2015. godinu možete pročitati ovde.