• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Fizycy zaobserwowali przemiany ziemskich neutrin

    16.06.2011. 00:19
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Po raz pierwszy w warunkach laboratoryjnych zaobserwowano przemiany neutrin mionowych w neutrina elektronowe. Dokładniejsza obserwacja tego zjawiska może pomóc w wyjaśnieniu zagadek historii wszechświata. Eksperymenty z neutrinami trwają w Japonii od kilku lat. W projekt są zaangażowani także naukowcy z Polski.

    "W Tsukubie w Japonii ogłoszono () pierwsze wyniki międzynarodowego eksperymentu T2K poszukującego informacji o przemianach, jakie spontanicznie zachodzą pomiędzy różnymi rodzajami neutrin - najlżejszych dotychczas poznanych cząstek materii. Eksperyment z udziałem fizyków z 12 krajów, w tym Polaków, zaobserwował 6 przypadków potencjalnych transformacji neutrin mionowych w neutrina elektronowe" - poinformował w przesłanym PAP komunikacie dr Marek Pawłowski, rzecznik Instytut Problemów Jądrowych w Świerku, jednej z polskich instytucji, z których naukowcy zaangażowani się w eksperyment T2K. Poza IPJ z Polski biorą w nim udział: Politechnika Warszawska, Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, Uniwersytet Wrocławski, Uniwersytet Śląski i Uniwersytet Warszawski.

    Neutrina to najlżejsze znane cząstki materii, o których wciąż niewiele wiadomo. Hipotezę o ich istnieniu ponad 80 lat temu postawił pochodzący z Austrii fizyk Wolfgang Pauli. Jego zdaniem, właśnie taka cząstka była emitowana przy rozpadzie beta jąder atomowych, w których jądro atomu emituje elektron. Obserwacje sugerowały, że zachowanie elektronów emitowanych w rozpadzie beta łamie zasadę zachowania pędu i zasadę zachowania energii. Pauli przypuszczał, że w trakcie tego rozpadu emitowana jest jeszcze jedna cząstka, której dotychczas nie wykryto.

    Jego przewidywania okazały się trafne po długim czasie. Doświadczalnie istnienie neutrin zostało potwierdzone dopiero w 1956 r.

    "Detekcja neutrin jest bardzo trudna, gdyż są obojętne elektrycznie i niesłychanie słabo oddziałują z jakąkolwiek materią. Szansę na wykrycie neutrina daje jego zderzenie z neutronem, w wyniku którego powstają dwie naładowane cząstki - proton i elektron. Są jednak neutrina, które w podobnym zderzeniu nie produkują elektronu lecz jego 200 razy cięższego +brata+ - mion. Trzeci rodzaj neutrin prowadzi w zderzeniu z neutronem do powstania jeszcze cięższej cząstki o nazwie taon. Znamy więc trzy rodzaje neutrin i mamy dobre powody by uważać, że tych rodzajów nie ma już więcej" - tłumaczył w komunikacie dr Pawłowski.

    Jak dodał, przez wiele lat uważano, że neutrina są pozbawione masy. Pogląd ten został jednak podważony pod koniec ubiegłego wieku dzięki obserwacji, że neutrina dochodzące do nas z atmosfery mogą zmieniać swoją tożsamość i np. z mionowych stać się elektronowymi.

    "Jest to zjawisko nie mające swojego dobrego odpowiednika w świecie obiektów makroskopowych. W zgrzewce butelek wody mineralnej wysłanej np. w trzystukilometrową podróż nie pojawi się nigdy bez powodu kilka butelek wina. Okazuje się, że w świecie neutrin przemiana jednego rodzaju cząstek w drugie jest możliwa, a ponieważ zachodzi cyklicznie to zjawisko to nazwano oscylacjami neutrin" - wyjaśnił rzecznik IPJ.

    Oscylacje neutrin ze źródeł naturalnych, takich jak Słońce czy atmosfera, zostały zaobserwowane kilka lat temu. Zburzyło to pogląd o bezmasowości neutrin, gdyż teoria przewiduje, że tylko neutrina różniące się co do masy - a więc nie bezmasowe - mogą zmieniać swoją tożsamość w procesie oscylacji. Aby dokładnie zbadać naturę oscylacji potrzebne są jednak precyzyjne doświadczenia laboratoryjne. Największym z eksperymentów, który poszukuje oscylacji neutrin wytwarzanych w sposób kontrolowany w laboratorium jest ulokowany w Japonii eksperyment T2K.

    "Wiązka neutrin mionowych, wytwarzana w akceleratorze w pobliżu Tokio kierowana jest pod krzywizną Ziemi do potężnego detektora zbudowanego w oddalonej o ok. 300 km starej kopalni w Kamioka. Tam we wnętrzu wydrążonej góry czeka na docierające neutrina potężny zbiornik wypełniony 50 tys. ton wody i obłożony ponad 11 tys. optycznych czujników (fotopowielaczy). Wypatrują one błysków świadczących o oddziaływaniu neutrina z neutronem" - opisywał Pawłowski.

    Na środowej konferencji zespołu T2K w japońskim laboratorium w Tsukubie, ogłoszono wyniki będące efektem analizy danych zebranych w ciągu ok. 10 miesięcy pracy eksperymentu. Z ogłoszonych informacji wynika, że detektor Super-Kamiokande zaobserwował w tym czasie sześć przypadków zjawisk, które z dużym prawdopodobieństwem można uznać za ślad obecności neutrin elektronowych, powstałych w wyniku przemian zachodzących w pierwotnej wiązce neutrin mionowych.

    Naukowcy wyjaśniają w komunikacie, że na 88 zarejestrowanych przypadków pojawienia się jakichkolwiek neutrin (czyli przypadków zderzenia neutrina z neutronem), sześć to zapis zderzenia z neutronem neutrina elektronowego, czego sygnałem jest pojawienie się elektronu.

    "Co prawda elektrony mogą pojawić się również z powodu zjawisk innych niż pojawienie się neutrina elektronowego. Niemniej przewidywaliśmy, że w trakcie trwania eksperymentu T2K wykryjemy 1,5 takich zdarzeń, spowodowanych innymi przyczynami. Dlatego dotychczasowe obserwacje pozwalają nam szacować, że prawdopodobnieństwo iż wykryliśmy właśnie neutrina elektronowe wynosi 99,3 proc." - napisano w komunikacie prasowym.

    "Sześć przypadków to nadal zbyt mało, by wynik uznać za w pełni przekonywujący, choć jest to wynik bardzo obiecujący. Kolejne dane będą zbierane, jednak na skutek marcowego trzęsienia ziemi w Japonii, eksperyment musi być wstrzymany przynajmniej na kilka miesięcy. Obecne plany zakładają, że ponownie zostanie uruchomiony na przełomie 2011/2012 roku" - podkreślił Pawłowski.

    W eksperyment T2K zaangażowanych jest ok. 500 naukowców z 12 krajów świata. Wśród nich jest grupa ok. 30 uczonych z Polski -fizyków i inżynierów. W badaniach uczestniczą także magistranci i doktoranci. Polska grupa miała istotny wkład w zaprojektowanie, zbudowanie i instalację jednego z poddetektorów badających wiązkę wysyłanych neutrin. Polacy biorą udział w zbieraniu i analizie danych, która doprowadziła do ogłoszonego wyniku, przygotowali fragmenty oprogramowania i testowali układy elektroniczne.

    Naukowcy liczą, że lepsze poznanie neutrin powie nam dużo w wszechświecie - np. od ustalenia dokładnej masy neutrin zależy ustalenie, jaką część masy wszechświata stanowią.

    "Ogromna liczba neutrin jest obecna w naszym bezpośrednim otoczeniu. W każdej chwili przez ciało każdego z nas przelatują ich miliardy. Pochodzą one ze Słońca, w którym powstają w wyniku zachodzących w nim przemian jądrowych, pochodzą z atmosfery, z odległego kosmosu, a także z wnętrza Ziemi. Dzięki słabemu oddziaływaniu z wszelką materią, niosą niezakłócona informację o miejscach i procesach, w których się narodziły. Są np. cennym źródłem informacji o wczesnych stadiach ewolucji Wszechświata - epoki z której nie docierają już do nas sygnały promieniowania elektromagnetycznego. Zagadka mas neutrin pozostaje wyzwaniem dla modeli teoretycznych opisujących oddziaływania fundamentalne w przyrodzie. Dokładne zbadanie oscylacji neutrin może nas też zbliżyć do odpowiedzi na pytanie, dlaczego nasz Wszechświat powstały w Wielkim Wybuchu zawiera głównie materię, a tak mało w nim antymaterii. Zastosowania praktyczne fizyki neutrin to nadal jeszcze domena science fiction, ale historia poucza, że wszelkie poznanie wcześniej czy później przekłada się na efekty wzbogacające naszą cywilizacje techniczną" - wyjaśnił rzecznik IPJ.

    PAP - Nauka w Polsce

    ula/ agt/bsz


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus – Oscylacyjny Projekt z użyciem Emulsyjnego Rejestrującego Aparatu) – eksperyment fizyczny przeprowadzony w podziemnym laboratorium w Gran Sasso we Włoszech, z wykorzystaniem wiązki neutrin produkowanej w CERN przez tamtejszy Supersynchrotron Protonowy. Przeznaczony do badania zjawiska oscylacji neutrin, przede wszystkim do zaobserwowania zjawiska pojawiania się neutrin taonowych w wiązce złożonej początkowo z neutrin mionowych. Problem neutrin słonecznych (ang. Solar Neutrino Problem) – rozbieżność pomiędzy zmierzoną liczbą neutrin słonecznych docierających do Ziemi ze Słońca a teoretycznym modelem wnętrza Słońca. Problem pojawił się w połowie lat 60. XX wieku, a udało się go rozwiązać dopiero w roku 2002 dzięki lepszemu zrozumieniu fizyki neutrin. Wymagało to modyfikacji fizyki cząstek elementarnych. Oscylacje neutrin – zjawisko zaproponowane, aby wyjaśnić zbyt małą liczbę neutrin pochodzących ze Słońca obserwowanych na Ziemi (tzw. problem neutrin słonecznych).

    Neutrino sterylne – hipotetyczna cząstka elementarna mająca tworzyć ciemną materię. Miałaby ona należeć do neutrin – cząsteczek o zerowym ładunku elektrycznym. Czasem neutrino sterylne traktowane jest jako czwarta generacja neutrin (obok neutrina elektronowego, mionowego i taonowego). Jego charakterystyczną cechą jest to, że oddziałuje z materią tylko grawitacyjnie. Jest oznaczane symbolem nS. T2K (ang. Tokai to Kamioka) - eksperyment z dziedziny fizyki cząstek elementarnych badający oscylacje neutrin, prowadzony w Japonii.

    Astronomia neutrinowa – gałąź astronomii, w której obserwacje obiektów na niebie prowadzi się poprzez detekcję neutrin emitowanych przez te ciała niebieskie. Neutrina produkowane są we wnętrzach gwiazd, w szczególności w czasie wybuchu supernowej. Ich źródłem są zachodzące tam reakcje termojądrowe. Astronomia neutrinowa daje możliwość obserwacji obszarów nieobserwowalnych przez jakiekolwiek teleskopy, nie tylko optyczne. Astronomia ta jest na początku swego rozwoju i jak dotychczas zarejestrowano tylko dwa kosmiczne źródła neutrin: Słońce oraz supernową SN 1987A. KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector) – eksperyment neutrinowy, badający oscylacje neutrin reaktorowych. Detektor o masie 1000 ton, wypełniony ciekłym scyntylatorem i zawierający ok. 1850 fotopowielaczy, znajduje się w Japonii w kopalni w Kamioce (na miejscu detektora Kamiokande).

    Fizyka poza modelem standardowym - aspekty fizyki teoretycznej, próbujące wyjaśnić niedoskonałości modelu standardowego, takie jak: pochodzenie masy, naruszenie parzystości ładunku, oscylacje neutrin, asymetrię materii i antymaterii oraz naturę ciemnej materii i ciemnej energii. Dodatkową trudność sprawia aparat matematyczny samego modelu standardowego, który jest niespójny z ogólną teorią względności w punktach, w których jedna lub obie teorie załamują się przy określonych warunkach (np. w osobliwościach czasoprzestrzeni takich jak Wielki Wybuch czy horyzont zdarzeń czarnej dziury). Neutrina słoneczne (ang. Solar Neutrinos) – neutrina wytwarzane i emitowane przez Słońce. Neutrina te powstają w procesach termojądrowej syntezy jąder lekkich pierwiastków oraz w rozpadach β+, zachodzących w centrum Słońca.

    Kosmiczne neutrinowe promieniowanie tła – promieniowanie w postaci neutrin, wypełniające cały Wszechświat i podobnie jak mikrofalowe promieniowanie tła, będące pozostałością po najwcześniejszych etapach w jego ewolucji.

    Sudbury Neutrino Observatory (SNO) – podziemny detektor neutrin ulokowany głęboko pod ziemią. Znajduje się w pobliżu Sudbury w Kanadzie w prowincji Ontario. W SNO prowadzono między innymi podziemny eksperyment od listopada 1999 r. do stycznia 2001 r. SNO jest obecnie modyfikowany w przygotowaniu do eksperymentu „SNO+”.

    DONUT (akronim z ang. Direct Observation of the NU Tau, czyli Bezpośrednia Obserwacja Neutrina Taonowego) to eksperyment polegający na rejestracji neutrina taonowego. Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), Magnetyczny Spektrometr Alfa – moduł-eksperyment z dziedziny fizyki cząstek, który został umieszczony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i którego celem jest dokładny pomiar strumienia naładowanych promieni kosmicznych na niskiej orbicie wokółziemskiej. Eksperyment pozwoli na badanie formowania się Wszechświata, a także na poszukiwanie dowodu istnienia cząstek dziwnych, ciemnej materii oraz swobodnej antymaterii we Wszechświecie. Odkrycie choćby pojedynczych przypadków jąder antyhelu w promieniowaniu kosmicznym dostarczyłoby silnych dowodów na istnienie symetrii między materią i antymaterią.

    Zaburzenia gęstości (kosmologia): Zimna ciemna materia różni się od innych rodzajów ciemnej materii tym, że zaburzenia gęstości występują w niej we wszystkich skalach, podczas gdy na przykład neutrina nie wykazują żadnych zaburzeń w malej skali. Wszechświat wypełniony neutrinami byłby jak góra o zupełnie płaskim wierzchołku. Bariogeneza – hipotetyczny proces zachodzący we wczesnym wszechświecie (krótko po Wielkim Wybuchu), w wyniku którego powstały główne składniki materii nukleony, czyli protony i neutrony. Podstawowym problemem, który usiłują wyjaśnić hipotezy dotyczące procesu bariogenezy, jest obserwowana we wszechświecie nierównowaga pomiędzy liczbą cząstek materii a antymaterii. Naturalną hipotezą jest, że powstający wszechświat powinien zawierać równą liczbę cząstek i antycząstek. Pojawia się zatem problem utworzenia z początkowo symetrycznego stanu wszechświata, obserwowanego obecnie stanu asymetrii pomiędzy materią i antymaterią.

    Bozon Z (zeton) – cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach słabych, wymieniana przez np. elektrony czy neutrina i inne cząstki oddziałujące poprzez oddziaływanie słabe podczas zderzeń. Jest obojętny elektrycznie, jako bozon podlega statystyce Bosego-Einsteina. Jego istnienie przewidziała teoria oddziaływań słabych. Bozon Z jest równocześnie swoją antycząstką. Okres półtrwania wynosi 3,20×10 sekundy.

    Dodano: 16.06.2011. 00:19  


    Najnowsze