Neutrina – wprowadzenie Understand article

Tłumaczenie Jadwiga Schreiber. Co wspólnego mają: dryft kontynentalny, elektrownie jądrowe i supernowa? Odpowiedź jest krótka: Neutrina – jak wyjaśnia Susana Cebrián.

Co to są neutrina?

Zdjęcia dzięki uprzejmości
Mark Tiele Westra

Neutrina, co oznacza „małe neutralne”, znajdują się wszędzie wokół nas. Te malutkie, nieposiadające ładunku elektrycznego, cząstki elementarne podróżują w przestrzeni kosmicznej z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Wcześniej zakładano, że nie posiadają one żadnej masy, ale dziś większość naukowców uważa, że jest inaczej, zakładając, że masa neutrino wynosi, w przybliżeniu, jedną bilionową masy atomu wodoru, choć badania te są wciąż w trakciew1.

Istnienie neutrin, jednych z najbardziej powszechnie występujących cząstek elementarnych Wszechświata, zaproponowane zostało przez austriackiego fizyka Wolfganga Pauliego w roku, 1930 aby wyjaśnić radioaktywną reakcję rozpadu beta. Mimo to dopiero, gdy zbudowano pierwszą elektrownię jądrową, uwolniony podczas rozszczepienia (rozpadu) jądra atomowego „strumień” neutrin (a właściwie ich antycząstek, antyneutrin; więcej informacji o antyneutrinach można znaleźć w Landua & Rau, 2008) potwierdził ich istnienie. W roku 1956, Clyde Cowan i Frederick Reines zbudowali dwa ogromne, podziemne zbiorniki, wypełnione wodą, znajdujące się zaledwie kilka metrów od elektrowni atomowej na rzece Savannah, koło Aiken, w Południowej Karolinie, w USA, w których antyneutrina wchodzą w reakcję z protonami wody (zobacz poniższy schemat). Za eksperyment ten Frederick Reines otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1995w2. Nie mógł on podzielić się tą nagrodą z Clyde Cowan, gdyż zmarł on w roku 1974.

Doświadczenie Reinesa i Cowana: elektronowe antyneutrina (νe) reagują z protonami wody (p+) w wielkim zbiorniku wypełnionym wodą i chlorkiem kadmu (CdCl2); w reakcji tej powstają pozyton (e+, antyelektron) i neutron (n0). Pozytony po spotkaniu elektronu (e) ulegają anihilacji a neutrony absorbowane zostają przez jądra cząsteczki kadmu (Cd). W reakcjach tych uwalniane zostają fotony (kwanty) promieniowania gamma (γ), rejestrowane za pomocą scyntylatorów. Urządzenia te transformują promieniowanie gamma w światło widzialne, które następnie jest detektowane oraz przetwarzane za pomocą tzw. fotopowielaczy. Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcia dzięki uprzejmości Susana Cebrián

Neutrina występują w trzech różnych rodzajach, zwanych zapachami, zgodnie z modelem standardowym teorii cząstek podstawowych (zobacz ilustrację powyżej): neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino taonowe; istnienie każdego z tych zapachów zostało potwierdzone eksperymentalnie. Za odkrycie neutrina mionowego, Leon M Lederman, Melvin Schwartz i Jack Steinberger otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1988w2.

Dodatkowo, czwarty, “sterylny” rodzaj neutrino został zaproponowany; jest on odporny na słabe oddziaływania modelu standardowego i dane z wyjątkowo dokładnych pomiarów przeprowadzonych w instytucie Laue-Langevinw3 w Grenobli, we Francji, w roku 1980s potwierdziły to założenie (Hand, 2010; Reich, 2011). Znalezienie źródła sterylnych neutrin otworzyłoby drogę do zupełnie nowej dziedziny fizyki, wykraczającej poza model standardowy.

Model standardowy cząstek podstawowych.
Cząstki materii występują w dwóch różnych rodzajach, leptonów i kwarków. Tworzą one zestaw 12 cząstek, podzielonych na 3 rodziny, a każda z rodzin zawiera 2 leptony (z których jednym jest neutrino) i dwa kwarki. Cząstki materii mogą się ze sobą „komunikować” na różny sposób, wymieniając różnego rodzaju nośniki oddziaływań, zwane bozonami (istnieją różne bozony w zależności od rodzaju interakcji), które można by sobie wyobrazić, jako małe paczuszki energii o specyficznych właściwościach. Ustalanie mas poszczególnych cząsteczek jest obecnym zadaniem naukowców; podane tu wartości pochodzą z roku 2008.

Zdjęcia dzięki uprzejmości PBS NOVA; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons
Zbiornik Super-Kamiokande,
wypełniony wodą po same
brzegi, widok z góry. Kliknij
na obrazek aby powiększyć

Zdjęcia dzięki uprzejmości
Kamioka Observatory, ICRR
(Institute for Cosmic Ray
Research), The University of
Tokyo

Wymienione wyżej trzy, zidentyfikowane dotąd, zapachy neutrin są wyjątkowe: oscylują one z jednego typu w drugi – elektronowe, mionowe czy taonowe neutrino może przejść z jednego zapachu w drugi. Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwowano w roku 1998 podczas doświadczenia w japońskim Super-Kamiokandew4, w którym mionowe neutrina wygenerowane w atmosferze nagle „zniknęły”, najprawdopodobniej przekształcając się w neutrina taonowe. Obecnie przeprowadzane doświadczenia potwierdzają takie przekształcenia, ale interpretowane są one dziś raczej, jako powstanie neutrina taonowego, niż jako zniknięcie mionowego, na przykład: przez trzy lata strumień mionowych neutrin wypuszczany był z CERNw5 w Genewie, w Szwajcarii, a neutrina taonowe wyłapywane zostawały w Gran Sasso National Laboratoryw6 we Włoszech, czyli 730 km dalej (zobacz ilustrację poniżej).

Odkrycie tych oscylacji (przekształceń jednych zapachów neutrin w inne) rozwiązało również 40-letnią zagadkę: naukowcy zawsze detektowali znacznie mniejszą liczbę neutrin elektronowych docierających do nas ze Słońca, niż wskazywały obliczenia. W roku 2001, Solar Neutrino Observatoryw7 w Kanadzie, zademonstrowało doświadczalnie, że neutrina te przekształciły się po drodze na Ziemię w inne zapachy (Bahcall, 2004). Inne doświadczenia analizujące oscylacje neutrin przeprowadzane są obecnie we Francji oraz Japonii, gdzie akceleratory cząstek i elektrownie atomowe produkują wystarczającą ilość antyneutrin do ich obserwacjiw8.

Niektóre z mionowych neutrin wysłanych wiązką strumienia z CERN w Genewie, w Szwajcarii, do Gran Sasso we Włoszech, zamienią się po drodze w taonowe neutrina i wyłapane zostaną przez detektor OPERA. Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcia dzięki uprzejmości CERN

Skąd biorą się neutrina?

Pierwsze neutrina powstały około 14 bilionów (14 x 109) lat temu, 10-43 sekund po Wielkim Wybuchu. Zaledwie kilka sekund później były już one daleko poza zasięgiem tej gorącej i gęstej mieszaniny cząstek pierwotnych; do dziś naukowcy maja nadzieję na detekcję neutrin, które powstały podczas Wielkiego Wybuchu.

To słabe oddziaływania, jakie neutrina tworzą z materią, sprawiają, że tak trudno je zidentyfikować, i że są one tak ciekawe dla naukowców. W przeciwieństwie do większości innych cząstek, neutrina są w stanie „uciec” z gęstych mieszanin cząsteczkowych jak na przykład jądro słońca czy z Drogi Mlecznej, i „podróżować” na ogromne odległości poprzez galaktyki, nie ulegając absorbcji, i dzięki temu wciąż zawierając informację o ich miejscu pochodzenia. Każdy neutrino jest, zatem jak mała kosmiczna wiadomość i astronomia neutrin staje się obecnie bardzo ważną dziedziną naukową.

Do tej pory zaobserwowano tylko dwa pozaziemskie źródła neutrin: słońce i supernowa. Raymond Davis Jr i Masatoshi Koshiba otrzymali trzecią, dotyczącą neutrin, nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, w roku 2002w2 za odkrycie neutrin pochodzących ze słońca i z supernowej. Tak jak inne gwiazdy, słońce emituje elektronowe neutrina przy różnych etapach procesu fuzji jąder lekkich w cięższe (zobacz ilustrację poniżej, więcej informacji na ten temat można znaleźć w: Westra, 2006, oraz Boffin & Pierce-Price, 2007); ponad 1010 neutrin słonecznych pada na centymetr kwadratowy Ziemi każdej sekundy. W przeciwieństwie do fotonów, które potrzebują ok 100 000 lat by pokonać odległość od jądra słońca do jego zewnętrznej fotosfery, zanim rozpoczną swoją podróż na Ziemię, neutrina, np. powstałe w tym samym procesie fuzji, co dane fotony, pokonują tą drogę w 8 minut. Dlatego też uważa się, że słoneczne neutrina są źródłem wyjątkowo cennych informacji o obecnie zachodzących fuzjach w słońcu, i o chemicznej kompozycji jego jądraw9.

Proces fuzji w słońcu: dwa jądra wodoru ulegają fuzji i tworzą jądro deuteru, pozyton i neutrino. Pozyton wraz z napotkanym wolnym elektronem ulegają anihilacji, z której powstaje energia (fotony). Jądro deuteru ulega fuzji z jądrem kolejnego wodoru tworząc helium-3. Następnie dwa jądra helium-3 ulegają fuzji, tworząc helium-4 i dwa jądra wodoru. Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcia dzięki uprzejmości Mark Tiele Westra
Wyobrażenie artysty o
wyglądzie materii wokół
supernowej SN1987A: dwa
zewnętrzne okręgi i jeden
wewnętrzny zawierający
zdeformowany, rozproszony
po wybuchu materiał

Zdjęcia dzięki uprzejmości ESO
/ L Calçada

Neutrina supernowej powstają z nagłych wybuchów („śmierci”) niektórych gwiazd. Wybuchając produkują one więcej neutrin niż fotonów (patrz Székely & Benedekfi, 2007): w 1987 roku kilka detektorów odebrało nadzwyczajnie silny sygnał (kilka sygnałów na sekundę, w porównaniu z normalną frekwencją jednego sygnału na dzień), który przypisany został neutrinom z supernowej SN1987A z Wielkiego Obłoku Magellana. Obecnie, aby umożliwić astronomom detekcję takich kosmicznych wydarzeń, zorganizowano tzw. Supernova Early Warning Systemw10, integrujący sygnały z kilku detektorów neutrin na raz. Podczas gwiezdnych wybuchów neutrina zostają uwalniane zanim uwolnione zostanę fotony, dlatego też ich wczesna detekcja pozwoli, naukowcom na rejestrację interesujących ich fotonów, która nastąpi wkrótce po sygnale neutrin.

detekcją neutrin. Na Ziemi występują naturalne i sztuczne źródła neutrin: materiały radioaktywne we wnętrzu Ziemi ulegając rozpadowi beta, uwalniając tzw. geo neutrina. Dodatkowo reaktory rozszczepiające jądra atomowe produkują neutrina, czy też akceleratory cząsteczek używane są do produkcji neutrin dla celów naukowych. Badania nad neutrinami oraz ich dalsza charakteryzacja są interesujące nie tylko dla fizyków cząstek elementarnych, ale również naukowców nauk przyrodniczych a w przyszłości może nawet i polityków (patrz „Neutrina, jako nuklearna policja” oraz „Zasilanie Ziemii”).

Dodatkowo, kiedy promieniowanie kosmiczne zderza się z atmosferą ziemską, atmosferyczne neutrina emitowane są w wyniku rozpadu pionów i mionów. To największe naturalne źródło neutrin na Ziemi, jest utrudnieniem dla naukowców (zobacz poniżej „Jak zidentyfikować neutrino”), którzy zainteresowani są neutrinami pochodzenia kosmicznego, ale dla fizyków umożliwia ono badanie innych, wiąż nieznanych właściwości tych tajemniczych cząstek.

Jak zidentyfikować neutrina?

Badania nad neutrinami są pomocne w rozumieniu fenomenów astronomicznych i kosmicznych. Detektory neutrin budowane są w różnych miejscach na świecie, np. głęboko pod ziemią by wyizolować je od innych cząstek. Ostatnio zakończono budowę IceCubew11 która jest obecnie największym ich detektorem: detektor ten zajmuje około kilometr sześcienny na śniegu Bieguna Południowego i służy, jako teleskop w poszukiwaniu neutrin pochodzenia astrofizycznego (zobacz ilustrację poniżej). Kiedy neutrino zderzy się z protonem lodu Antarktydy, uwolniony zostaje mion. Jak każda inna naładowana cząstka poruszająca się szybciej niż światło w danym medium (mimo to wolniej niż światło w próżni), mion wygeneruje niebieskie światło rozchodzące się w stożkowatym strumieniu – promieniowanie Czerenkowa, fotoniczny odpowiednik uderzenia dźwiękowego, które również może powstać w niektórych reaktorach jądrowych.

 

Teleskop neutrin IceCube znajduje się na Biegunie Południowym (górny panel po z lewej stronie; stacje Bieguna Południowego na lewo od drogi, na prawo IceCube). Zawiera on tysiące autonomicznych, cyfrowych modułów optycznych (górny panel po prawej stronie), które rejestrują czas każdego z przepływających neutrin. Moduły te znajdują się w głębokich „dziurach” w lodzie, wydrążonych za pomocą gorącej wody (dolny panel po lewej stronie; kliknij, aby powiększyć ilustrację). Kiedy neutrino zderzy się z protonem lodu Antarktydy, ujawni się stożkowaty promień światła Czerenkowa (panel dolny po prawej stronie, Kliknij na obrazek aby powiększyć)
Ilustracja za uprzejmością NSF

Tysiące sensorów optycznych zaaranżowanych w trójwymiarową siatkę wbudowanych w lód, na głębokości 1,5 do 2,5 km detektuje tak powstałe światło; zebrane tak informacje są w stanie określić energię zdetektowanych neutrin oraz ich pochodzenie. Aby odróżnić miony, które powstały z kosmicznych neutrin, od milionów innych mionów, wytwarzanych przez promieniowanie kosmiczne zderzające się z atmosferą nad detektorem, IceCube używa Ziemi, jako filtra i bada tylko miony, które pochodzą z wnętrza Ziemi. Neutrina to jedyne cząstki, które mogą przeniknąć Ziemię bez żadnych przeszkód, dlatego też miony pochodzące z wnętrza Ziemi musiał dopiero, co powstać, w obrębie tego detektora, z neutrin kosmicznych (a nie atmosferycznych).

Różne detektory używają różnych materii czy też różnych strategii – ale wszystkie detektory stajają się położyć jak najwięcej „przeszkód” na drodze neutrin by „zmusić” jej do interakcji z innymi cząstkami i w ten sposób ujawnić swoje istnienie.

Neutrina – atomowa policja

Identyfikacja broni i materiałów nuklearnych jest ważna z wielu powodów, włączając zapobieganie rozprzestrzeniania się broni jądrowej i terroryzmu. Naukowcy proponują rozstawianie detektorów antyneutrin, np. o wielkości metra sześciennego, jako nieinwazyjnych detektorów (nielegalnych) reaktorów jądrowychw12.

Obecnie, reaktory takie rejestrowane są niebezpośrednio (np. za pomocą satelit, emisji gazów i pyłów sejsmicznych czy infradźwięków wydawanych przy testowaniu broni), co może jednak prowadzić do błędnych wniosków. Detektory neutrin mogłyby dostarczyć dokładną informację o energii jądra reaktora i jego składzie izotopowym. Sieć około 500 takich detektorów w różnych miejscach na świecie pozwoliłaby oszacować moc indywidualnych reaktorów, umożliwiając rejestrację nielegalnych testów broni jądrowej.

Detektror Super-Kamiokande
wypełniony wodą. Kliknij na
obrazek aby powiększyć

Zdjęcia dzięki uprzejmości
Kamioka Observatory, ICRR
(Institute for Cosmic Ray
Research), The University of
Tokyo

Zasilanie Ziemi

Neutrina detektowane są również w procesach geofizycznych. Naturalny, radioaktywny rozpad uranu, toru i potasu w skorupie i płaszczu Ziemi podtrzymuje ciągłość ruchów roztopionych materiałów tzw. prądów konwekcyjnych, które powodują dryft kontynentalny, rozrastanie się skorupy oceanicznej, erupcję wulkaniczną oraz trzęsienia ziemi.

Istnieje kilka modeli radioaktywnego rozpadu zachodzącego w skorupie Ziemi, w zależności od jej hipotetycznego składu. Geo-neutrina produkowane podczas radioaktywnego rozpadu mogą dostarczyć informacji o składzie skorupy. Geo-neutrina zostały po raz pierwszy zidentyfikowane w roku 2005 podczas eksperymentu KamLANDw13 w Japonii, mimo że wysoka liczba elektrowni jądrowych bardzo ogranicza(ła) te badania, gdyż antyneutrina, produkowane przez takie elektrownie, mają podobny „odcisk” energetyczny do geo-neutrin. W roku 2009 międzynarodowy zespół pracujący nad projektem Borexinow6, w14 miał więcej szczęścia, z prostego powodu: mniejszej liczby elektrowni jądrowych w okolicy, i prawdopodobnie zarejestrowano wtedy wystarczająca ilość geo-neutrin by określić względną ilość uranu, toru i potasu w skorupie Ziemi.

Podczas czytania tego artykułu przepłynęło przez Ciebie, nie zostawiając po sobie żadnego śladu, około 10 000 000 000 000 000 neutrin. Choć neutrina to takie malutkie cząstki elementarne, mogą one przyczynić się do potwierdzenia lub obalenia wielu teorii naukowych.

Podziękowania

Edytor chciałby podziękować Dr. Christianowi Buckowi, fizykowi z Max-Planck-Institut für Kernphysik (Instytut Maxa Plancka Fizyki Jądrowej), w Heidelbergu, w Niemczech, za pomoc w pisaniu tego artykułu.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Naukowcy z Uniwersytetu Londyńskiego (University College of London) oszacowali masę: www.ucl.ac.uk/news/news-articles/1006/10062204
    • Nadzieje, na najbardziej dokładne pomiary pokładane są w doświadczeniu KATRIN, znajdującej się w Karlsruhe, w Niemczech, zobacz: www-ik.fzk.de/~katrin
  • w2 – Przeczytaj o doświadczeniu Cowana i Reinesa: http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00326606.pdf
  • w3 – Przy Instytucie Laue-Langevin operuje jedno z najsilniejszych źródeł neutronów na świecie. Instytut ten jest członkiem EIROforum, wydawcy Science in School, zobacz: www.ill.eu
  • w4 – Aby uzyskać więcej informacji o japońskim doświadczeniu Super-Kamiokande, zobacz: www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html
  • w5 – Więcej informacji na temat CERN, największego na świecie laboratorium fizyki cząsteczkowej, oraz jednego z ośmiu członków EIROforum, wydawcy Science in School, można znaleźć na: www.cern.ch
  • w6 – Laboratorium Gran Sasso National Laboratory w Abruzzo, koło L’Aquila, we Włoszech, jest największym podziemnym laboratorium na świecie do badań przeprowadzanych w dziedzinie fizyki cząsteczkowej, astrofizyki cząsteczkowej i jądrowej astrofizyki, włączając doświadczenia jak OPERA i Borexino. Więcej informacji na ten temat: www.lngs.infn.it
  • w7 – Więcej informacji na temat doświadczenia Canadian Solar Neutrino Observatory, zobacz: www.sno.phy.queensu.ca
  • w8 – We Francji oraz w Japonii, wstawione zostały detektory do dalszej analizy oscylacji neutrin. Zobacz: http://doublechooz.in2p3.fr oraz http://jnusrv01.kek.jp
  • w9 – Więcej informacji na temat obecnych badań nad neutrinami pochodzenia słonecznego, zobacz: http://arxiv.org/pdf/0811.2424
  • w10 – Oficjalna strona internetowa Supernova Early Warning System: http://snews.bnl.gov
  • w11 – Aby uzyskać więcej informacji na temat obecnych projektów naukowych przeprowadzanych w IceCube, zobacz: http://icecube.wisc.edu
    • Oliver Hainaut z European Southern Observatory (ESO), najlepiej na świecie operującego obserwatorium astronomicznego, będące również członkiem EIROforum, rozmawiał z naukowcami z IceCube podczas 24-godzinnej online transmisji programu „Po szlaku 80 teleskopów dookoła świata„ nagranego podczas Międzynarodowego Roku Astronomii w 2009. Rozpocznij oglądanie filmu od 1,27 minuty: www.eso.org/public/videos/10msouthpole
    • Oficjalna strona internetowa ESO: www.eso.org
    • Więcej informacji na temat astronomii w artykule:Starr C, Harwood R (2009) Education resources for the International Year of Astronomy. Science in School 13.
  • w12 – Aby dowiedzieć się więcej na temat możliwości detekcji tajnych reaktorów jądrowych za pomocą neutrin zobacz artykuł: http://physicsworld.com/cws/article/news/44411
  • w13 – If you would like to find out more about the KamLAND experiment in Japan, see: http://kamland.lbl.gov
  • w14 – Więcej informacji na temat doświadczenia KamLAND w Japonii, jest dostępne na: http://borex.lngs.infn.it

Resources

  • Booster Neutrino Experiment oraz Interactions.org udostępniły borszurki informacyjne na temat neutrin, dostępnę bezpłatnie w internecie, zobacz: www-boone.fnal.gov/about/nusmatter (Neutrinos Matter) oraz www.interactions.org/pdf/neutrino_pamphlet.pdf (Neutrino Odyssey)
  • Na oficjalnej stronie internetowej projektu IceCube, dostępna jest edukacyjna zabawa dla uczniów ptt. „popcorn neutrin”, która pozwoli im lepiej zrozumieć zasady rozpadu beta. Zobacz: www.icecube.wisc.edu lub wejdź na: http://tinyurl.com/45ytuq7
  • Slajdy trzech prezentacji na temat badań nad neutrino, przygotowanych specjalnie dla uczniów, dostępne są w internecine, w języku niemieckim, zobacz: www.mpi-hd.mpg.de/hfm/wh/pams/PamS0708.htm
  • “Cząsteczkowa Przygoda” to interaktywna, gra internetowa o fizyce cząsteczkowej, zobacz: http://particleadventure.org
  • Na stronie internetowej projektu Contemporary Physics Education Project znajdują się zestawy do zajęć lekcyjnych w języku angielskim i hiszpańskim, na temat fizyki cząsteczek, dotyczące jednego z prawa zachowań, opisujące krok po kroku postulaty Pauliego o neutrinach (zajęcia nr. 5), zobacz: www.cpepweb.org/Class_act.html
  • Science and Technology Council w Wielkiej Brytanii opracował przewodnik dla nauczycieli na temat fizyki cząsteczkowej. Zobacz: www.stfc.ac.uk/Public and Schools/2563.aspx

Institution

CERN, ILL

Author(s)

Susana Cebrián jest profesorem na Uniwersytecie Zaragoza, w Hiszpanii, i zajmuje się dziedziną astrofizyki cząsteczkowej w Canfranc Underground Laboratory.


Review

Neutrina to dziwne cząstki: takie małe a tak fascynujące. Artykuł ten opisuje ich pochodzenie, właściwości i możliwe sposoby ich detekcji. Jest on dobrym wprowadzeniem do tematu neutrin np. dla nauczycieli fizyki, jak również dobrym startem dla uczniów np. przygotowujących prezentację szkolną na ten temat. Artykuł ten ma na celu pobudzić do dyskusji na temat fizyki cząsteczkowej, modelu standardowego, detektorów cząstek, organizacji takich jak CERN, astrofizyki czy promieniowania.

Artykuł ten będzie pomocny głównie na lekcjach fizyki, choć łączy on w sobie wiele ogólnych tematów nauk o Ziemi. Aby dostosować ten artykuł dla uczniów poniżej 14 lat, nauczyciele powinni wyselekcjonować do omówienia tylko niektóre jego części.


Gerd Vogt, Austria




License

CC-BY-NC-ND