Nevtrini so morda najbolj zmedeni izmed znanih delcev. Preprosto preplavijo vsa znana pravila, kako naj se delci obnašajo. Pogrizajo se v naše domišljijske detektorje. Tako kot kozmične mačke brezskrbno ali brezskrbno potujejo po vesolju, občasno se družijo s preostalimi, vendar res samo takrat, ko se počutijo tako, kar iskreno ni vse tako pogosto.
Najbolj frustrirajoče, nosijo maske in nikoli ne izgledajo enako.
Toda nov eksperiment nas je morda odpravil le korak bližje, da odtrgamo te maske. Razkritje resnične nevtino identitete bi lahko pomagalo odgovoriti na dolgoletna vprašanja, na primer, ali so nevtrini lastni partnerji za boj proti materijam in bi celo pomagalo združiti sile narave v eno kohezivno teorijo.
Množična težava
Neutrini so čudni. Obstajajo tri vrste: elektronski nevtrino, muonski nevtrino in tau nevtrino. (Obstajajo tudi različice teh treh delcev, vendar to ni velik del te zgodbe.) Tako jih imenujejo, ker se te tri vrste družijo s tremi različnimi delci. Elektronski nevtrini se pridružijo interakcijam, ki vključujejo elektrone. Muonski nevtrini se seznanijo z mioni. Nobene točke ne bodo dodeljene za ugibanje, s čim tav nevtrino sodeluje.
Do zdaj to sploh ni čudno. Tukaj prihaja čuden del.
Za delce, ki so ne nevtrini - kot elektroni, muoni in tau delci - to, kar vidite, je tisto, kar dobite. Ti delci so popolnoma enaki, razen njihove mase. Če delček opazite z maso elektrona, se bo obnašal točno tako, kot bi se moral obnašati elektron, enako pa velja tudi za muon in tau. Še več, ko enkrat opazite elektron, bo to vedno elektron. Nič več, nič manj. Enako za muon in tau.
A enako ne velja za njihove sestrične, elektrone, muone in tau nevtrine.
Kar rečemo, recimo, "tau nevtrino", ni vedno tau nevtrino. Lahko spremeni svojo identiteto. Med poletom lahko postane nevtrino z elektroni ali mioni.
Ta čuden pojav, ki ga v bistvu nihče ni pričakoval, imenujemo nevtino nihanje. Med drugim pomeni, da lahko ustvarite nevtrino z elektroni in ga kot darilo pošljete svojemu najboljšemu prijatelju. Toda do trenutka, ko ga dobijo, bodo morda razočarani našli namesto tega tau nevtrino.
Teeter-totter
Zaradi tehničnih razlogov ničelno nihanje deluje le, če obstajajo tri nevtrini s tremi različnimi masami. Toda nevtrini, ki oscilirajo, niso nevtrini z aromo elektrona, muon in tau.
Namesto tega obstajajo trije "pravi" nevtrini, vsak z različno, vendar neznano maso. Različna mešanica teh pravih, temeljnih nevtrinov ustvarja vsak okus nevtrinov, ki ga zaznamo v naših laboratorijih (elektroni, muon, tau). Torej, laboratorijsko izmerjena masa je neka zmes teh pravih nevtrinskih mas. Medtem, masa vsakega pravega nevtrina v mešanici določa, kako pogosto se preliva v vsako od različnih arom.
Zdaj je naloga fizikov razvezati vsa razmerja: Kolikšne so mase tistih pravih nevtrinov in kako se mešajo, da nastanejo trije okusi?
Torej, fiziki so na lovu, da bi odkrili množice "pravih" nevtrinov tako, da bi pogledali, kdaj in kako pogosto zamenjajo okuse. Ponovno je fizikalni žargon pri razlagi tega zelo koristen, saj so imena teh treh nevtrinov preprosto m1, m2 in m3.
Različni naporni poskusi so znanstvenike vsaj posredno naučili o množici pravih nevtrinov. Na primer, vemo za nekatera razmerja med kvadratom množic. Toda ne vemo natančno, koliko tehta kateri od pravih nevtrinov, in ne vemo, kateri so težji.
Lahko je, da je m3 najtežji, daleč odtehta m2 in m1. Temu pravimo "normalno urejanje", ker se zdi precej normalno - in to so naročniki fiziki v bistvu ugibali že pred desetletji. Toda glede na trenutno stanje znanja bi lahko bilo tudi to, da je m2 najtežji nevtrino, saj m1 ne zaostaja in m3 v primerjavi z njimi. Ta scenarij imenujemo "obrnjeno naročanje", ker pomeni, da smo na začetku uganili napačen vrstni red.
Seveda obstajajo taborišči teoretikov, ki so za vsakega od teh scenarijev resnični. Teorije, ki poskušajo združiti vse (ali vsaj večino) sil narave pod eno streho, običajno zahtevajo normalno nevtino-množično urejanje. Po drugi strani pa je urejanje z obratno maso potrebno, da je nevtrino lastni dvojček. In če bi bilo to res, bi lahko pomagalo razložiti, zakaj je v vesolju več materije kot antimaterije.
DeepCore vadba
Kateri je: normalen ali obrnjen? To je eno največjih vprašanj, ki se poraja iz zadnjih nekaj desetletij raziskav nevtrinov, in prav takšno vprašanje je bilo zasnovano v množičnem nevtrinskem observatoriju IceCube. Nahaja se na južnem polu, opazovalnica je sestavljena iz več deset nizov detektorjev, potopljenih v antarktični ledeni list, z osrednjim "DeepCore" osmimi strunami učinkovitejših detektorjev, ki so sposobni videti interakcije z nižjo energijo.
Nevtrini se komajda pogovarjajo z normalno snovjo, zato so popolnoma sposobni curiti naravnost skozi telo Zemlje. In ko bodo to storili, se bodo spremenili v različne okuse. Vsakič v redkih časih bodo udarili po molekuli v antarktičnem ledenem listu blizu detektorja IceCube in sprožili kaskadno prho iz delcev, ki oddajajo presenetljivo modro svetlobo, imenovano Čerenkovo sevanje. To luč zazna strune IceCube.
V nedavnem članku, objavljenem v reviji arXiv pred tiskom, so znanstveniki IceCube uporabili triletne podatke DeepCore, da so izmerili, koliko vseh nevtrinov je prešlo skozi Zemljo. Seveda je napredek počasen, ker je nevtrinose tako težko ujeti. Toda v tem delu. znanstveniki poročajo o rahli preferenci podatkov glede običajnega naročanja (kar bi pomenilo, da smo pred desetletji ugibali). Vendar še niso našli nič preveč prepričljivega.
Je to vse, kar bomo dobili? Zagotovo ne. IceCube se že kmalu pripravlja na veliko nadgradnjo in nova eksperimenta, kot sta Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) in Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), se pripravljata tudi za reševanje tega osrednjega vprašanja. Kdo je vedel, da bo tako preprosto vprašanje glede urejanja nevtrinskih množic tako razkrilo, kako deluje vesolje? Preveč slabo, tudi vprašanje ni enostavno.
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj "Vprašajte vesoljca" in "Vesoljski radio, "in avtor"Vaše mesto v vesolju."
