MiniNauka #1: Zrozumieć neutrina, czyli o eksperymencie DUNE

Gdy we wrześniu 2011 roku ogłoszono, że neutrina są w stanie przekroczyć prędkość światła, wielu wieszczyło upadek teorii Einsteina. Pojawiło się jednak wiele sceptycznych głosów, dzięki którym udało się dowieść błędnych wyników eksperymentu OPERA już niespełna pół roku później. Okazało się, że wystąpił błąd pomiaru, a winą obarczono luźno osadzony kabel światłowodowy. Brzmi niewiarygodnie? Obliczenia wykazały, że neutrino poruszało się z prędkością równej 1,00002 prędkości światła, a więc niemal niewykrywalnie szybciej.

Dlaczego właściwie o tym wspominam? Wydarzenie to zapoczątkowało kolejne próby zrozumienia tej dziwnej cząstki elementarnej. Zanim jednak przejdę do konkretów, musicie wiedzieć, czym jest neutrino. Jego istnienie zostało przewidziane już w 1930 roku przez Wolfganga Pauliego, jednego z ojców mechaniki kwantowej, zaś doświadczalnie potwierdzono to w roku 1956. Sam fakt istnienia nie wystarcza, należy  bowiem zrozumieć, w jaki sposób owo istnienie przekłada się na oddziaływania z resztą cząstek. A to wcale nie jest takie proste. Ponieważ neutrina posiadają zerowy ładunek elektryczny, nie oddziałują za pomocą oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ są leptonami, a nie kwarkami (oba wchodzą w skład fermionów), nie oddziałują za pomocą silnych oddziaływań jądrowych. Pozostają oddziaływania słabe oraz grawitacyjne, przy czym te ostatnie są niesamowicie trudne do wykrycia, ponieważ masa neutrin jest bardzo, bardzo mała. Efektem tych cech jest ogromna trudność obserwacji pojedynczych cząstek. Na szczęście naukowcy nie znają słów „nie da się” i dzięki temu możemy być świadkami kolejnych prób.

mininauka1_dune

Obrazek ze strony eksperymentu do użytku mediów

Nieuchwytne cząstki

Wyobraźcie sobie, że przez każdy centymetr powierzchni waszego ciała w każdej sekundzie przelatuje coś około biliona neutrin. Wydawać by się mogło, że skoro jest ich tak dużo, to przecież powinniśmy móc wykryć bodaj kilka cząstek. Niestety, z równą łatwością przebijają się one tak przez ludzkie ciało, jak i przez cały ziemski glob. Z tego powodu detektor neutrin musi spełniać szereg wymogów, bez których eksperyment nie ma szans na powodzenie.

Po pierwsze, należy znać kierunek, skąd owo neutrino może nadlecieć. Źródłami tych cząstek są przede wszystkim promienie kosmiczne oddziałujące w atmosferze oraz samo Słońce. Nie mamy problemów ze sztucznym ich wytworzeniem, dzięki czemu możemy oczekiwać cząstek z jednego, niezwykle ściśle sprecyzowanego kierunku. Po drugie, należy odizolować detektor od jakichkolwiek innych oddziaływań, takich jak – na przykład – promieniowanie kosmiczne. Rozwiązaniem jest umieszczenie detektora głęboko pod ziemią. Rodzi to jednak pewien problem, ponieważ trzecim warunkiem jest rozmiar detektora – im większy, tym lepszy. Ostatnim warunkiem powodzenia jest długi okres badań, ponieważ więcej danych oznacza więcej przykładów potwierdzonych obserwacji (w teorii), a co za  tym idzie, możliwość dokładniejszej analizy.

Eksperyment DUNE jest rozwinięciem działającego od 2014 eksperymentu NOvA, w ramach którego zbudowano dwa najbardziej oddalone od siebie detektory neutrin. Musicie bowiem wiedzieć, że dane z jednego detektora mogą być dowodem niewystarczającym – dopiero obserwacja tej samej cząstki w dwóch oddzielnych obiektach daje nam potwierdzenie jej istnienia. Neutrino jest zatem wykrywane w jednym miejscu, a ułamek sekundy później w drugim – następnie należy obliczyć, czy jest to ta sama cząstka. W Fermilabie, gdzie prowadzono eksperyment NOvA, w detektorze wielkości autobusu w ciągu jednej doby wykrywano zaledwie kilka neutrin. Z jednej strony może się wydawać, że to całkiem niezły sukces, ale z drugiej przypomnijcie sobie bilion na sekundę na każdy centymetr.

mininauka1_galaxy

Deep Underground Neutrino Experiment

DUNE porównywany jest do Wielkiego Zderzacza Hadronów z CERNu. Z dwóch powodów. Po pierwsze, jest olbrzymim przedsięwzięciem – pracuje nad nim ponad 1000 naukowców z 30 różnych krajów (w tym z Polski), a wśród inwestorów znajduje się sam CERN. Po drugie, jego rola jest porównywana do roli LHC, w którym odkryto bozon Higgsa i potwierdzono tym samym istnienie w kosmosie ukrytych pól oddziałujących z cząstkami. LHC jednak ma poważny problem, ponieważ nie odkryto w nim żadnych cząstek spoza Modelu Standardowego. Nie znaczy to, że jego praca jest bezwartościowa! Tylko, skoro przez tak długi czas nie odkryliśmy nic nowego, być może szukamy w niewłaściwym miejscu.

I tutaj na scenę wkraczają neutrina. Istotną cechą tych cząstek jest fakt posiadania przez nich trzech różnych stanów, w nauce nazwanych zapachami. Wyróżniamy więc neutrino elektonowe, mionowe i taonowe – nazwy pochodzą od cząstek, z którymi dane neutrino oddziałowuje, ale nie bójcie się, nie musicie ich pamiętać. Istotne jest to, że każdy z zapachów jest mieszaniną innych stanów masowych, czyli, mówiąc po ludzku, posiadają delikatnie różną masę, a co za tym idzie, ich prędkości mogą się minimalnie różnić. Jeśli dodamy do tego fakt, iż zapachy mogą się zmieniać w zależności od czasu i przestrzeni, otrzymujemy niezwykle trudną zagadkę. Mechanika kwantowa mówi, że niemożliwe jest precyzyjne określenie masy konkretnej cząstki, a jedynie przybliżenie jej poprzez składowe tych trzech stanów masowych. Do tego dochodzi jeszcze sposób klasyfikacji tych stanów – teoria przewiduje, że albo dwa neutrina są lekkie a jedno cięższe, albo dwa są ciężkie a jedno lżejsze.

By zrozumieć neutrina choć trochę, musimy dowiedzieć się, w jaki sposób przebiega oscylacja. W eksperymencie DUNE detektory są od siebie oddalone o przeszło 1300 kilometrów, co w teorii ma zapewnić dość czasu na zmianę zapachu netrino. Cząstki mają lecieć z Fermilabu w Batawii w Illinois, aż do Lead w Dakocie Południowej.

fermilab_neutirna

Obrazek ze strony eksperymentu do użytku mediów

Wiemy, że nic nie wiemy

W tym wszystkim istotna jest również sama detekcja neutrin. Wspominałem wcześniej, jak trudne jest zarejestrowanie ich oddziaływania z resztą cząstek, a także o potrzebie budowy ogromnego detektora. W DUNE rozwiązano to w sposób następujący – gdy cząstka wyleci z akceleratora w Fermilabie, przelatuje przez detektor bliski znajdujący się… no, blisko. Następnie ta sama cząstka powinna zostać wykryta w detektorze dalekim w Dakocie Południowej. Za wykrycie odpowiada argon – zderzenie się neutrino z atomem argonu powoduje powstanie elektronu i fotonu, czyli czegoś, co można zaobserwować jako błysk światła. Nie to jest jednak najciekawsze. Wyobraźcie sobie pojemnik, w którym znajdują się cztery olbrzymie komory, z których każda zawiera siedemnaście tysięcy ton argonu. Mało tego, ten pojemnik znajduje się półtora kilometra pod ziemią. Z tego też powodu operacja wypełniania go argonem to droga w jedną stronę, ponieważ wypompowanie go pochłonęłoby zbyt wiele środków. Zbyt wiele nawet jak na projekt, który kosztuje około półtora miliarda dolarów.

I tym sposobem dobrnęliśmy do końca. Warto wiedzieć, że DUNE nie jest jedynym tego typu eksperymentem, jest jednak największy i prawdopodobnie najbardziej zaawansowany. Jego start planowany jest na lata dwudzieste, zaś czas trwania naukowcy określają na minimum dwie dekady. I to wszystko za półtora miliarda dolarów. A wiecie, ile Nike wydało na reklamę na całym świecie w 2016 roku? 3,17 miliarda dolarów. Ale to tylko taka dygresja. Trudno jednak powiedzieć, w jakim stopniu owocne będą owe lata badań, ale jedno jest pewne – jeśli chcemy zrozumieć neutrina, musimy coś czynić w tym kierunku. Dlatego pozostaje nam trzymać kciuki, by przewidywania naukowców okazały się trafione, bo kto wie, być może neutrina są dla Wszechświata bardziej istotne, niż jesteśmy to w stanie sobie wyobrazić.

źródła: Scientific American Listopad 2017, strona domowa eksperymentu

_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.

Komentarze

  • jendrush

    Czy pierwszy detektor też opera swoje działanie na zderzeniu neutrino z argonem? Jeżeli tak to czy w momencie zderzenia z atomem argonu i wygenerowaniu fotonu umożliwiającego zarejestrowanie jego wykrycia jest jeszcze w stanie dolecieć do drugiego detektora i to powtórzyć?

    • Tak, w małym detektorze również w grę wchodzi argon, natomiast “zderzenie” neutrina z gazem argonu nie jest dosłownym zderzeniem, ale przelotem jednego przez drugie. Neutrino przelatuje przez atomy gazu i w zależności od jego typu (zapachu) powstaje elektron, mion lub taon, które następnie wywołują dalsze reakcje zostawiając tym samym swoisty ślad przelotu neutrina. Samo neutrino jednak wytrwale będzie lecieć do przodu, a DUNE ma sprawdzić między innymi powód tego wytrwałego lotu :)

      • Michał Kubiak

        Rozumiem że przelot neutrina powoduje zmiany w argonie bo chyba nie powoduje “wytworzenia” (powstania) elektronu bo biorąc pod uwagę brak spadku prędkości poruszania się neutrina byłoby to niezgodne z zasadami zachowania energii – powstawałby znikąd elektron?

        • To zależne jest od typu neutrina. Na przykład neutrino mionowe po przelocie przez atom argonu wybija z niego elektron tak, jak wybijane są elektrony na przykład w panelach fotowoltaicznych. Neutrino elektronowe po zderzeniu wyemituje foton, który dalej wywoła kolejne reakcje, zaś neutrino taonowe spowoduje powstanie właśnie taonu. Przynajmniej tak wynika z teorii, która raczej nie dopuszcza niezgodności z zasadą zachowania energii, więc pozostaje nam czekać na pierwsze praktyczne obserwacje :)

          • Adramel

            Tak wynika z teorii czy z hipotezy? Bo hipoteza to założenie że coś ma miejsce, a teoria to udowodniona hipoteza. Wiec jeżeli należy czekać na obserwacje – czyli na udowodnienie, to raczej “tak wynika z HIPOTEZY”.
            To ważne, w języku nauki teoria to coś pewnego bo udowodnionego. Język potoczny wypaczył ten zwrot i przypisał mu znaczenie “hipotezy”.
            Stąd też masa nieporozumień – kreacjoniści twierdzą, że przecież Teoria Ewolucji jest tylko teorią – nie zdając sobie sprawy że określenie “teoria” w nauce oznaczy dowody.
            Wiec prosiłbym o pilnowanie języka by uniknąć potem nieporozumień.
            Hierarchia jest taka: hipoteza->teoria->prawo. Prawo jest wtedy gdy na podstawie teorii można coś przewidzieć – np Prawo Powszechnego Ciążenia na podstawie którego można przewidzieć zachowanie ciał(upadek kamienia itp).
            Ale z teorii nie koniecznie musi powstać prawo – na podstawie TE nie da się przewidzieć bo ewolucja z samej swojej zasady jest nieprzewidywalna.

          • Specjalnie użyłem zwrotu “teoria” zamiast “teoria naukowa” czy “prawo/prawo fizyki”, bo doskonale znam różnicę między nimi, wynika to zresztą z kontekstu. Może czasami warto skupić się na całości, zamiast łapać za słówka? :)

  • Edmund

    Miła odmiana na tabletowo, lubię takie wrzuty zwłaszcza, że ta konkretnie leży w kręgu moich zainteresowań. Artykuł jednak jest dość chaotyczny i mało tłumaczy. Pojawiają się pewne pojęcia które w ogóle nie są tłumaczone, np. “ponieważ są leptonami, a nie kwarkami (oba wchodzą w skład fermionów), nie oddziałują za pomocą silnych oddziaływań jądrowych” – no i teraz osoba niezaznajomiona z tematem nie ma pojęcia czym są leptony, kwarki, fermiony i silne oddziaływania jądrowe. Jak w takim razie autor chce ich zainteresować tematem? Albo “być może neutrina są dla Wszechświata bardziej istotne, niż jesteśmy to w stanie sobie wyobrazić” – ale dlaczego? Ja wiem, że my jeszcze nie wiemy, ale są pewne teorie, przypuszczenia które warto by przytoczyć. Ogólnie artykuł na plus, dziękuję autorowi za zaangażowanie i pozdrawiam.

    • Jak najbardziej zgadzam się z zarzutami! Mogę natomiast spróbować obronić się koniecznością brania pod uwagę długości tekstu, bo niemożliwe jest wytłumaczenie każdego pojęcia w luźnym artykule. Po części zdaję się też na chęć poszukiwań czytelnika, a po części planuję w przyszłości dalej rozwijać temat i uzupełniać go o kolejne informacje. I postaram się przy konstruowaniu zwrócić większą uwagę na dodatkowe wytłumaczenia :)

      • Edmund

        Skoro to jest odcinek 1 to ja proponuję jako następny odcinek 0 :) z jakimś może przybliżeniem modelu standardowego, oddziaływań podstawowych, podstaw fizyki kwantowej itd – może w formie jakiegoś krótkiego streszczenia ze słownikiem podstawowych pojęć itd, będzie można się odnosić do tego wprowadzenia w kolejnych częściach, a w części pierwszej zmienić nazwy pojawiających się trudniejszych słów na linki do odpowiednich haseł słownika cześci 0 :)

        • Myślę, że coś takiego jest jak najbardziej do zrobienia :) Dzięki za sugestię!

    • DEMO

      Aż wierzyć mi się nie chcę że cos takiego ( pomijając szczegóły ) czy tam tu
      Brawo dla autora za śmiałość podjęcia tematu.

  • Vallenrod

    W jaki sposob jest potwierdzane , ze to samo neutrino wywolalo reakcje w obu przypadkach ?

    • Na podstawie toru lotu i czasu między obserwacjami. Reakcje powodowane przelotem neutrina przez atomy argonu pozostawiają ślad, który po przeanalizowaniu daje nam dokładny kierunek ruchu. Jeśli z analizy w drugim detektorze wyniknie kierunek identyczny, jak w pierwszym, to po uwzględnieniu różnicy czasu między detekcjami można stwierdzić, czy było to dokładnie to samo neutrino.

  • anemusek

    Zachęcam do kontynuowania serii i myślę, że autor się wyrobi 😉

  • Sonepar

    Ciekawy artykul – punkty za odwage .
    Przeczytalem wydaje sie ze zrozumieniem jak na laika w tej sprawie, niemniej jako z kolei pragmatyk ciekawi mnie po co , czy tez co konkretnie nauka chce wytlumaczyc, czemu ma sie nam ludziom przydac ta wiedza. Poprosze o jakas odpowiedz.
    Dziekuje i czekam na kontynuacje watku – oraz chetnie odcinek “0”. :)

    • Eksperymenty służą głównie zrozumieniu tego, jak działa Wszechświat, w którym bytujemy. Takie czyste pragnienie zrozumienia. Natomiast nie można powiedzieć, że nic więcej się za tym nie kryje. Jako prosty przykład podam teorię względności Einsteina, bez której dziś nie mielibyśmy działającej nawigacji satelitarnej, choć sto lat temu nikomu nawet nie śniło się takie zastosowanie wiedzy teoretycznej. Myślę, że ten temat mógłbym nieco rozwinąć w jednym z przyszłych wpisów, więc… stay tuned i widzimy się następnym razem :)

Komputronik Dell
Logowani/Rejestracja jest chwilowo wyłączona