Miliardy neutrin przenikają nasze ciała. Bardzo trudno je wykryć, ale teraz może się to zmienić

Czym są neutrina? Jak wiele zjawisk w fizyce, przewidziane zostały najpierw teoretycznie. Dokonał tego w 1930 r. Wolfgang Pauli, próbując rozwikłać tajemnicę znikania energii podczas rozpadu radioaktywnego beta. Co ciekawe, wielki fizyk nazwał postulowaną cząstkę, która miała tłumaczyć braki, neutronem.

Nie jest ona jednak tym samym co właściwy neutron, czyli składnik jądra atomowego, odkryty przez  Jamesa Chadwicka w 1932 r. Dopiero Enrico Fermi użył nazwy neutrino, która przyjęła się i obowiązuje do dziś. Eksperymentalne potwierdzenie teorii nastąpiło w latach 50. XX w. Po blisko 30 latach od jej stworzenia.

Neutrina to bardzo interesujące cząstki. Są elektrycznie obojętne, niezwykle rzadko wchodzą w interakcję, przenikają przez najgrubsze struktury. Zarejestrować możemy je tylko wtedy, gdy zderzą się z jądrem atomu. Sprawiają naukowcom wiele kłopotów, tymczasem mogą wnieść ogromny wkład w zrozumienie struktury wszechświata.

Neutrina, które docierają na Ziemię pochodzą przede wszystkim ze Słońca. Nie jest to jedyne ich źródło. Pod koniec lat 80. naukowcom udało się zarejestrować neutrina pochodzące z supernowej, która wybuchła w Wielkiej Mgławicy Magellana.

Te cząstki elementarne dzielą się na elektronowe, taonowe i mionowe. Nie ma sensu wchodzić w skomplikowane szczegóły, ale warto o tym wspomnieć z powodu bardzo ciekawej właściwości neutrin. Potrafią one - użyjmy tego słowa - oszukiwać detektory zmieniając swój charakter. Detektor neutrin elektronowych nie był w stanie wykryć mionowych, itd.

Fizycy dwoją się i troją, by zarejestrować neutrina. Detektory tych cząstek zostały zainstalowane w dość specyficznych miejscach. Na przykład Sudbury Neutrino Observatory zlokalizowano w starej kopalni niklu w Kanadzie, na głębokości 2073 m. Detektor BAIKAL umieszczono na głębokości 1 km, jak sama nazwa wskazuje, w Jeziorze Bajkał. Japoński instrument Super-Kamiokande to ponad 11 tys. fotopowielaczy zlokalizowanych w zbiorniku liczącym 50 tys. ton wody w kopalni na głębokości 1 km.

Patrząc na tylko trzy powyższe przykłady detektorów łatwo dostrzec ile trudu zadają sobie naukowcy, by wykryć neutrina. Te dziwne lokalizacje nie są przejawami widzimisię badaczy. Chowają oni detektory pod ziemią i w wodzie, by oddzielić neutrina od innych cząstek, które nie potrafią przenikać przez tego rodzaju przeszkody.

Woda, w której instalowane są detektory ma jeszcze jedno znaczenie. Kluczem w tej metodzie jest stożek niebieskiego światła nazwany promieniowaniem Czerenkowa. Można go zaobserwować wówczas, gdy neutrino zderzy się z jądrem wodoru lub tlenu. Może wtedy powstać inna cząstka subatomowa, mion, która wchodzi w interakcję z wodą. Zjawisko porównuje się często do tzw. gromu dźwiękowego, gdy samolot przekracza prędkość dźwięku.

Kilka, kilkadziesiąt wykrytych neutrin dziennie, biorąc pod uwagę ich ogólną liczbę, nie robi wrażenia. Szanse na łatwiejszą detekcję tych cząstek daje praca naukowców z Oak Ridge National Laboratory w Tennessee.

Stworzyli oni miniaturowy wykrywacz, gdy porównamy go z wyżej wspomnianymi detektorami. Działa on zgodnie z przewidywaniami Daniela Freedmana, fizyka Fermilabu, który ukuł teorię 43 lata temu.

Podczas uderzenia neutrina w jądro atomu pojawia się niewielki odrzut. Stworzenie wykrywacza zawierającego  jod, cez lub ksenon zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia tego zjawiska. Opisywany detektor zawiera 14,6 kg jodku cezu. Po ponad roku prób w Oak Ridge National Laboratory udało się uchwycić ślady neutrin. W eksperymentach uczestniczyło 80 naukowców z 19 instytucji badawczych i 4 krajów.

Miniaturyzacja zwiększy możliwości detekcji. Pozwoli również na zbadanie oddziaływań z innymi cząstkami subatomowymi. Przede wszystkim może pomóc znaleźć odpowiedź na jedno z najważniejszych pytań dręczących fizyków: czym jest ciemna materia.

* Zdjęcie główne: Juan Collar/ Oak Ridge National Laboratory