Συμπληρώνεται το παζλ των νετρίνων

Ενας από τους κυλινδρικούς ανιχνευτές νετρίνων του Daya Bay προτού «γεμίσει» με τον διάφανο υγρό σπινθηριστή ο οποίος αποκαλύπτει τις αλληλεπιδράσεις των αντινετρίνων μέσω των ασθενών λάμψεων που εκπέμπουν Πηγή Roy Kaltschmidt, LBNL

Το τελευταίο κομμάτι ενός παζλ που βασανίζει εδώ και καιρό τους φυσικούς φαίνεται ότι βρέθηκε στις μετρήσεις του Πειράματος Νετρίνων του Αντιδραστήρα Daya Bay στην Κίνα.
Η διεθνής ομάδα ερευνητών που εργάζεται εκεί κατόρθωσε να προσδιορίσει την τιμή και της τελευταίας παραμέτρου που απαιτείται για την περιγραφή των ταλαντώσεων των νετρίνων – του τρόπου δηλαδή με τον οποίο τα σωματίδια περνούν από τον ένα τύπο στον άλλο ή, όπως λένε οι ειδικοί, αλλάζουν «γεύσεις».
Η εξέλιξη θα επιτρέψει πλέον στους επιστήμονες να μελετήσουν καλύτερα τη συμπεριφορά των νετρίνων και των αντινετρίνων και ενδεχομένως να δώσουν απαντήσεις στο μεγάλο μυστήριο της ύπαρξης της ύλης και της αντιύλης στο Σύμπαν.

Σωματίδια σε πολλές γεύσεις

Για πολύ καιρό η επιστήμη θεωρούσε τα νετρίνα μάλλον «αδιάφορα» σωματίδια με μηδενική μάζα και ουδέτερο φορτίο. Πρόσφατα όμως αποδείχθηκε ότι έκρυβαν πολυποίκιλες εκπλήξεις. Ναι μεν το φορτίο τους είναι ουδέτερο αλλά μάλλον διαθέτουν μάζα – έστω και εξαιρετικά μικρή. Επί πλέον είναι τα μόνα που κυκλοφορούν σε πολλές γεύσεις.
Η καθυστερημένη αναγνώριση είναι βέβαια δικαιολογημένη. Τα νετρίνα είναι εξαιρετικά «φευγαλέα» σωματίδια: ταξιδεύουν σε ταχύτητες παρόμοιες με αυτές του φωτός και δεν αλληλεπιδρούν σχεδόν με τίποτε – υπόκεινται μόνο σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις με την ύλη. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να διαπεράσουν τα πάντα, ακόμη και το χέρι σας, ανεμπόδιστα και χωρίς να γίνονται αντιληπτά.
Οι επιστήμονες έχουν διακρίνει προς το παρόν τρεις τύπους τους, ή γεύσεις όπως τις αποκαλούν: τα νετρίνα ηλεκτρονίου, τα νετρίνα μιονίου και τα νετρίνα τ. Κατά τη διάρκεια του ιλιγγιωδών ταχυτήτων ταξιδιού τους τα σωματίδια-χαμαιλέοντες φαίνονται ξαφνικά να «εξαφανίζονται». Στην πραγματικότητα όμως, όπως ανακάλυψαν οι επιστήμονες, απλώς αλλάζουν γεύση: «μετασχηματίζονται» ή υφίστανται ταλαντώσεις μεταπηδώντας από τον έναν τύπο στον άλλο.

Αίνιγμα δεκαετίας

Η ανακάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων – οι οποίες είναι και αυτές που απέδειξαν ότι τα σωμάτια έχουν μάζα – έγινε εδώ και περίπου μια δεκαετία. Εκτοτε οι φυσικοί προσπαθούν να διερευνήσουν πώς ακριβώς συντελούνται. Διεξάγοντας σειρές πειραμάτων πέτυχαν να προσδιορίσουν την τιμή σχεδόν όλων των παραμέτρων που προβλέπει το θεωρητικό μοντέλο της περιγραφής τους – εκτός από μια.
Αυτήν ακριβώς την παράμετρο, τη γωνία μείξης θ13, κατόρθωσαν να μετρήσουν οι ερευνητές του Daya Bay, προσδιορίζοντας την τιμή της στις 8,8 μοίρες και όχι στο 0, όπως υπαγόρευαν ορισμένες υποψίες.
Η εξέλιξη είναι σημαντική, όχι μόνο γιατί πλέον θα επιτρέψει πειράματα και υπολογισμούς που ως τώρα ήταν αδύνατα, αλλά και επειδή το γεγονός ότι η θ13 δεν έχει μηδενική τιμή «ανοίγει» ένα μεγάλο πεδίο πιθανοτήτων για την επιβεβαίωση βασικών θεωριών της Φυσικής όπως η ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης (η λεγόμενη παραβίαση του φορτίου-ισοτιμίας ή CP violation).

Η ασυμμετρία ύλης και αντιύλης

Ο Γιοφάνγκ Γουάνγκ του Ινστιτούτου Φυσικής Υψηλών Ενεργειών της Κίνας, εκπρόσωπος του πειράματος του Daya Bay, ανέφερε χαρακτηριστικά: «Η ακριβής μέτρησή μας θα συμπληρώσει την κατανόηση των ταλαντώσεων των νετρίνων και θα ανοίξει τον δρόμο για τη μελλοντική κατανόηση της ασυμμετρίας ύλης και αντιύλης στο Σύμπαν» .
Από την πλευρά του ο Μπίου Λουκ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, έτερος εκπρόσωπος του πειράματος, πρόσθεσε: «Το αποτέλεσμα είναι πολύ συναρπαστικό, γιατί ουσιαστικά μας επιτρέπει να συγκρίνουμε στο μέλλον τις ταλαντώσεις  των νετρίνων και των αντινετρίνων για να δούμε πόσο διαφορετικές είναι και, όπως ευελπιστούμε, να βρούμε μια απάντηση στο ερώτημα: γιατί υπάρχουμε;».
Εξίσου ένθερμες όμως ήταν και οι αντιδράσεις ερευνητών που δεν μετείχαν στη συγκεκριμένη μελέτη. Ο Ρόμπερτ Πλάνκετ, φυσικός του αμερικανικού Εθνικού Εργαστηρίου Φέρμι ο οποίος εργάζεται επίσης σε ένα πρόγραμμα πειραμάτων με νετρίνα, τόνισε μιλώντας στην ειδησεογραφική ιστοσελίδα της επιθεώρησης «Science»: «Αυτή δεν είναι απλώς μια παράμετρος, είναι μια πύλη για ένα νέο επίπεδο».
Στο «πολιτικό» επίπεδο η εξέλιξη σηματοδοτεί την είσοδο μιας νέας δύναμης στο πεδίο της σωματιδιακής Φυσικής – της Κίνας. Ο αντιδραστήρας  του Daya Bay, ο οποίος βρίσκεται δίπλα στον ομώνυμο πυρηνικό σταθμό, είναι υπερεξελιγμένος και φιλοξενεί αυτή τη στιγμή ένα από τα μεγαλύτερα πειράματα νετρίνων στον κόσμο. Το πείραμα διεξάγεται υπό διεθνή συνεργασία της Κίνας με τις Ηνωμένες Πολιτείες, την Τσεχική Δημοκρατία και την Ταϊβάν.

Πηγή: Το Βήμα
 http://www.physorg.com/news/2011-08-daya-bay-reactor-neutrino.html
 http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=daya-bay-neutrinos
 http://www.newscientist.com/article/dn21571-neutrinos-could-help-explain-missing-antimatter.html

 και λίγη περισσότερη φυσική...

 Το νετρίνο είναι ένα αφόρτιστο και πολύ ελαφρύ σωματίδιο, του οποίου η ύπαρξη προτάθηκε από τον αυστριακό φυσικό Βόλφγκανγκ Πάουλι, ώστε να ισχύει η αρχή διατήρησης της ορμής και της ενέργειας στην ραδιενεργή εκπομπή ηλεκτρονίων από τον ατομικό πυρήνα, τη λεγόμενη β διάσπαση.
Τα νετρίνα παρατηρήθηκαν δεκαετίες μετά την πρόταση του Πάουλι. Πρόκειται για σωματίδια που αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη, συνεπώς είναι πολύ δύσκολο να παρατηρηθούν. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται ειδικές πειραματικές διατάξεις, γνωστές ως "τηλεσκόπια νετρίνων", τοποθετημένες βαθιά μέσα σε εγκαταλειμμένα ορυχεία ή στον πυθμένα της θάλασσας, προκειμένου να μην επηρεάζονται από την κοσμική ακτινοβολία· καθώς τα νετρίνα δύσκολα εντοπίζονται, απαιτείται μια τέτοιου είδους "μόνωση" από άλλες αλληλεπιδράσεις, αλλά και το μεγάλο μέγεθος της πειραματικής διάταξης.

Στιγμιότυπο από διδασκαλία του Πάουλι

 Σήμερα μετά τα τελευταία πειράματα έχει αποδειχθεί ότι υπάρχουν τριών ειδών ή όπως λέγεται "γεύσεων" νετρίνα. Η μάζα τους κυμαίνεται ανάλογα από μερικά ηλεκτρονιοβόλτ (eV) έως μερικά MeV. Οι τρεις τύποι νετρίνο διαφέρουν μεταξύ τους. Για παράδειγμα, όταν τα μιονικά νετρίνο αλληλεπιδρούν με κάποιο στόχο θα παράγουν πάντα μιόνια και ποτέ ταυ ή ηλεκτρόνια.

Διάγραμμα Feynman της διάσπασης β^-.

 Στις άλληλεπιδράσεις σωματιδίων, αν και τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνο ηλεκτρονίων μπορούν να δημιουργούνται και να κατάστρέφονται, το άθροισμα του αριθμού των ηλεκτρονίων και των νετρίνο των ηλεκτρονίων, διατηρείται σταθερό. Το γεγονός αυτό μας έχει οδηγήσει στη διαίρεση των λεπτονίων σε τρεις οικογένειες, που η καθεμιά περιλαμβάνει ένα φορτισμένο λεπτόνιο και το αντίστοιχό του νετρίνο.